Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник - Анатычук Л.И.

Автор: Анатычук Л.И.
Теги: электричество электрический ток электрокинетика радиотехника электротехника справочник электроустановки термообработка
Год: 1979
Похожие
Физика полупроводников и металлов
Физика полупроводников
Термодинамическая пара
Введение в физику полупроводников
Текст
                    
Л.И. АНАТЫЧУК Т £ р Q
ЭЛЕМЕНТЫ
И
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
УСТРОЙСТВА
СПРАВОЧНИК
КИЕВ
„НАУКОВА ДУМКА14
1979
УДК 537.32
Термоэлементы и термоэлектрические устройства :
Справочник /Л. И. Анатычук.— Киев: Наук, думка,
1979.— 768 с.
В справочнике описаны известные в настоящее время типы термоэлементов
и методы их расчета, основные свойства и технология изготовления термо-
электрических материалов. Дана классификация термоэлектрических прибо-
ров и устройств (термопар, термоэлектрогенераторов, преобразователей для
измерительной техники, приемников излучения, микрокалориметров, термоэлек-
трических охлаждающих устройств, датчиков теплового потока и др.).
Рассчитан на инженеров и научных работников, занимающихся разработкой,
проектированием и эксплуатацией приборов в электро- и радиотехнике, измери-
тельной технике и метрологии, теплотехнике и теплометрии, физике, химии,
биологии, медицине, а также на преподавателей, аспирантов и студентов вузов
Ил. 620. Табл. 138. Библиогр. в конце глав (1196 назв.)
Ответственные редакторы Ю. К. В ища к а с, И. В. Потыкевич
Рецензенты П. И. Б а р а н с к и й, Д. В. Г и ц у
Редакция справочной литературы
‘«‘"Sa 493-79 23»291™»
«Наукова думка», 1979
ПРЕДИСЛОВИЕ
Возможности прямого преобразования тепловой энергии в электри-
ческую на основе эффектов, возникающих в твердых телах, уже
давно привлекают внимание исследователей и разработчиков различ-
ной аппаратуры. За последние 20—30 лет в области термоэлектри-
ческого преобразования энергии достигнут существенный прогресс:
развита физика термоэлектрических явлений; получены принципи-
ально новые результаты при разработке термоэлектрических матери-
алов — их добротность и КПД преобразования устройств увеличены
более чем в десять раз; найдены новые типы термоэлементов; раз-
работаны методы расчета и оптимизации термоэлектрических прибо-
ров. Термоэлектрические явления получают все более широкое прак-
тическое применение. На их основе созданы уникальные по своим
параметрам термоэлектрические генераторы, используемые в космосе,
под водой и в наземной труднодоступной для обслуживания аппа-
ратуре; сконструированы генераторы с ядерными источниками тепла,
разрабатываются проекты таких генераторов мощностью от десяти
до нескольких тысяч киловатт. Все более широко используется
и термоэлектрическое охлаждение. Малые габаритные размеры, прак-
тически неограниченный ресурс работы, высокая надежность термо-
электрических холодильников являются определяющими при их ис-
пользовании в СВЧ и инфракрасной технике, приборостроении,
электронике, медицине и биологии. Многообразно применение термо-
электричества и в измерительной технике: калориметрии, термометрии,
пирометрии, актинометрии, электроизмерительной технике, метро-
логии.
Основы фундаментальных исследований в области термоэлектри-
ческого преобразования энергии были заложены акад. А. Ф. Иоффе
и развиты затем советскими учеными А. Р. Регелем, Н. С. Лидо-
ренко, Л. С. Стильбансом, Е. К. Иорданишвили, Н. В. Коломойцем
и многими другими. К настоящему времени по термоэлектричеству
накоплен большой теоретический и экспериментальный материал.
По ряду направлений сведения систематизированы в опубликованных
в последние годы монографиях Б. С. Позднякова, Е. А. Коптелова
3
«Термоэлектрическая энергетика» (1974 г.), А. С. Охотина, А. А. Еф-
ремова, В. С. Охотина и А. С. Пушкарского «Термоэлектрические
генераторы» (1971, 1977 гг.), А. Л. Вайнера «Каскадные термоэлек-
трические источники холода» (1976 г.), Э. В. Осипова «Твердотель-
ная криогеника» (1977 г.). Известны и другие, более ранние, моногра-
фии и обзоры отечественных и' зарубежных авторов. Большая же
часть сведений изложена в статьях, опубликованных в научных
и технических журналах, а также в проспектах фирм, патентах,
что затрудняет их использование в практической работе.
Настоящий справочник является одной из первых попыток объ-
единения разрозненных сведений по термоэлементам, термоэлектри-
ческим материалам, термоэлектрическим приборам и устройствам.
В главах, материал которых был достаточно полно систематизи-
рован в монографиях (например, гл. X «Термогенераторы» или
гл. XI «Термоэлектрические охлаждающие устройства»), даны ссылки
на последние без указания первоисточников. Для более детального
ознакомления с литературой по этим направлениям можно восполь-
зоваться также библиографией по термоэлектричеству (В. П. Жузе,
Е. И. Гусенкова. Библиография по термоэлектричеству. Термоэлек-
трогенераторы и охлаждающие устройства, 1963 г.). Более подроб-
ные списки литературы приведены по тем разделам термоэлектри-
чества, по которым до настоящего времени опубликованный материал
не был систематизирован.
Графики и таблицы в справочнике максимально сохранены в том
виде, в котором они приведены в оригинальных работах, во избе-
жание искажений, которые могут появиться при изменении масшта-
бов или введении переводных коэффициентов. В Приложении приве-
дены коэффициенты для перевода единиц измерения в единицы СИ.
Автор выражает благодарность акад АН ЛитССР Ю. К. Вища-
касу, чл.-кор. АН МССР Д. В. Гицу, доктора^ физ.-мат. наук
П. И. Баранскому, И. В. Потыкевичу, канд. физ.-мат. наук Э. В. Оси-
пову за рекомендации, способствовавшие улучшению справочника,
О. Я. Лусте за участие в подготовке материалов по классификации
термоэлектрических, гальваномагнитных и термогальваномагнитных
эффектов; сотрудникам НПО «Термоприбор» В. И. Лаху и Б. И. Стад-
ныку за полезные советы и предоставленный справочный материал по
пирометрам и термопарам для измерения температуры; В. И. Бодна-
руку, В. Н. Бойко, Б. Н. Демчуку, А. В. Михайленко, В. В. Ра-
зинькову, М. Д. Грекулу за содействие при подборе материалов по
отдельным главам; сотрудникам кафедры термоэлектричества и фи-
зической метрологии Черновицкого государственного университета
за помощь при подготовке рукописи к изданию.
Автор
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
И СОКРАЩЕНИЯ
— критерий эффективности нестационарного охлаждения
aQ — температуропроводность
В — магнитная индукция
С — теплоемкость, электрическая емкость
с—удельная теплоемкость
с0 — скорость света
D* — обнаружительная способность
Do — коэффициент диффузии примеси в расплаве
е — заряд носителя тока (электрона)
Е — электродвижущая сила (ЭДС)
ЕБ — ЭДС Бенедикса
\Е — ширина запрещенной зоны
En — ЭДС спиральной вихревой батареи
— поперечная ЭДС
ЕНэ — ЭДС Нернста—Эттингсгаузена
Ew — энергетическая яркость
E^ — ЭДС индукции
Ео—пороговая чувствительность по энергии
$ — напряженность электрического поля
$* — напряженность термоэлектрического поля
F — сила, действующая на электрон в магнитном поле
Ftn— магнитный поток
f — частота
h — постоянная Планка
Н — напряженность магнитного поля
/— плотность электрического тока
I — сила электрического тока
— постоянная Больцмана
Кр, — коэффициенты, характеризующие анизотропию элек-
тропроводности
5
Км — коэффициент Маджи—Риги—Ледюка
Ка — коэффициент, характеризующий анизотропию тер-
моЭДС
— коэффициент, характеризующий анизотропию тепло-
проводности
Кпр — коэффициент преобразования
/Ст — отопительный коэффициент
/Сп — токовая чувствительность
Кр — рабочий коэффициент
I — длина термоэлемента
L—число Лоренца, индуктивность
/м — общая высота модуля
т* — эффективная масса носителей заряда
тг — отношение внешнего сопротивления к внутреннему
сопротивлению термоэлемента
тА — атомная масса
тв — масса вещества
Л1=]/' 1+y(7’i+7’2)Z
п — концентрация электронов
N — число каскадов
Nr, — концентрация г-, r-й компоненты
— адиабатический, изотермический коэффициент Нернста
^э, N™ — число термоэлементов в термобатарее
Nc — число витков спирали
NK—число замыкающих элементов
МА, —концентрация акцепторов, доноров
/VH — концентрация ионов
/V* — количество молей вещества
р — концентрация дырок
р0 — плотность вещества
Рэ—коэффициент Эттингсгаузена
Ро — порог чувствительности приемников излучения
Р — давление
г — внутреннее сопротивление термоэлемента
г — радиус-вектор
г — показатель степени в зависимости времени релаксации
от энергии
г0— электрическое сопротивление замыкающих элементов
гн —сопротивление термоэлемента в магнитном поле
6
R — сопротивление внешней электрической нагрузки
/?1,	• • • — контактные термические сопротивления
RH — сопротивление нагревателя
RLX—коэффициент Холла изотермический
Rp, Rn — термические сопротивления ветвей термоэлемента
R* — универсальная газовая постоянная
s — площадь поперечного сечения
S—крутизна характеристики, чувствительность
—интегральная чувствительность приемников излучения
— коэффициент Риги—Ледюка
t — время
Т — температура
\7Т — градиент температуры
ДГ — разность температур
Тср — средняя температура
ТХу2 — период полураспада
q — плотность теплового потока
q3 — количество электрических зарядов
qn — тепло Пельтье, выделенное в единице объема за еди-
ницу времени
qT—тепло Томсона, выделенное в единице объема за еди-
ницу времени
дБ — тепло Бриджмена, выделенное в единице объема за
единицу времени
qc — теплота фазового перехода (плавления)
Q — количество тепла
Qo — холодопроизводительность
Qn — тепло Пельтье, выделенное на полной поверхности
за единицу времени
QT — тепло Томсона, выделенное за единицу времени
<2д — тепло Джоуля, выделенное за единицу времени
Qw — тепловая мощность
—коэффициент поперечного эффекта Иернста—Эттингсгау-
зена (изотермический, адиабатический)
Qj, —коэффициент продольного эффекта Нернста—Эттингс-
гаузена (изотермический, адиабатический)
Q3— тепло, выделенное за счет эффекта Эттингсгаузена
Qs — мощность тепловыделения на единице площади по-
верхности
— тепло, переносимое теплопроводностью вещества
7
Qv — объемная плотность тепловыделения
QT — тепловая мощность, отводимая излучением
— подвижность электронов, дырок
U — электрическое напряжение
U* — внутренняя энергия
£/*— средняя энергия, поглощенная в изотопе
v — скорость
— nopoi чувствительности по мощности
ws — поверхностная плотность энергии излучения
W — электрическая мощность, мощность излучения
Z — термоэлектрическая добротность материала
Zo — термоэлектрическая добротность термоэлемента
ZK3 — термоэлектрическая добротность короткозамкнутых
термоэлементов
Za — термоэлектрическая добротность анизотропных мате-
риалов
ZH—термомагнитная добротность
ZMT3 — магнетотермоэлектрическая добротность
Z^ — волновое сопротивление линии
а — коэффициент термоЭДС
Да — анизотропия термоЭДС (разность между компонен-
тами тензора термоЭДС)
aj — температурный коэффициент сопротивления
анэ — термоЭДС, вызванная эффектом Нернста —Эттингсга-
узена
а' — коэффициент теплообмена
у — тензор теплового сопротивления
Yx — температурный коэффициент теплопроводности
р — удельное сопротивление
a — коэффициент электропроводности
ог, о2 — коэффициенты электропроводности материалов ветвей
термоэлемента
оБ — постоянная Стефана — Больцмана
т — постоянная времени
тт—коэффициент Томсона
Фо — электрический потенциал
со— круговая частота
X — постоянная радиоактивного распада или длина волны
падающего излучения
е—холодильный коэффициент
8
8И — коэффициент излучения
&С — диэлектрическая проницаемость
е0 — коэффициент поглощения
т]—коэффициент полезного действия (КПД)
rji — КПД при максимальной мощности
'Пк — КПД цикла Карно
У]и — КПД источника тепла
Т]тэ — КПД термоэлемента
т)п— КПД преобразователя солнечной энергии в тепловую
т]р — КПД регулирующего устройства
т)тэм — термоэлектромагнитный КПД
т]г — гидравлический КПД
—	коэффициент потерь на возбуждение магнитного поля
х — коэффициент теплопроводности
х0 — теплопроводность термоэлемента
хБ — теплопроводность термоэлектрической батареи
р— химический потенциал
р* — приведенный химический потенциал
р—электрохимический потенциал
р^—магнитная проницаемость
Нон — магнитная постоянная
П — коэффициент Пельтье
—	частотная погрешность
ВНИИМ—Всесоюзный научно-исследовательский институт мет-
рологии
ВНИИРТ — Всесоюзный научно-исследовательский институт ра
диационной техники
ВНИИФТРИ — Всесоюзный научно-исследовательский институт фи-
зико-технических и радиотехнических измерений
ВНИИХП—Всесоюзный научно-исследовательский институт холо-
дильной промышленности
ГГО—Главная геофизическая обсерватория
ГСКБ ТФП—Государственное специальное конструкторское бюфо
теплофизического приборостроения
ЖНХ—Журнал неорганической химии
ЖТФ—Журнал технической физики
ЖФХ — Журнал физической химии
ЖЭТФ — Журнал экспериментальной и теоретической физики
Изв. ЛЭТИ — Известия Ленинградского электротехнического инсти-
тута
ИП АН СССР — Институт полупроводников Академии наук СССР
9
ИТТФ АН УССР — Институт технической теплофизики Академии
наук УССР
ИФЖ — Инженерно-физический журнал
ЛИТМО— Ленинградский институт точной механики и оптики
ЛЭТИ—Ленинградский электротехнический институт им.
В. И. Ульянова (Ленина)
ОТИХП — Одесский технологический институт холодильной
промышленности
ПТЭ — Приборы и техника эксперимента
Сб. тр. АФИ—Сборник трудов Агрофизического института
АН СССР
СКВ ин-та физики АН АзССР — Специальное конструкторское бюро
Института физики Академии наук Азербайджанской ССР
Тр. МИХМ—Труды Московского института химического ма-
шиностроения
Тр. ОТИЛХП—Труды Одесского Технологического института
легкой и холодильной промышленности
УФЖ— Украинский физический журнал
УФН—Успехи физических наук
ФТП — Физика и техника полупроводников
ФТТ — Физика твердого тела
ХТТ — Холодильная техника и технология
ЧГУ — Черновицкий государственный университет
ЭНИН — Энергетический институт имени Г. М. Кржижа-
новского
ОСНОВЫ ТЕОРИИ
ТЕРМО-
ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Глава I. КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ,
ТЕРМОМАГНИТНЫХ
И ГАЛЬВАНОТЕРМОМАГНИТНЫХ ЯВЛЕНИИ
§ 1.	Термодинамические соотношения
для описания термоэлектрических,
термомагнитных
и гальванотермомагнитных явлений
Феноменологическое описание термоэлектрических, термомагнитных
и гальванотермомагнитных явлений в твердых телах может быть
сделано на основе термодинамики необратимых процессов [21].
Согласно этой теории к частям физической системы, находящимся
в локальном равновесии, применимо основное уравнение термодина-
мики для квазистатических процессов
TdS* = dU* + SA —	(1.1)
Г
где Т — температура, S*—энтропия, U*— внутренняя энергия,
6 Л— элементарная совершенная работа, jxr — химический потенциал
г-й компоненты системы, Nr — концентрация r-й компоненты.
Термодинамический поток /*, вызываемый термодинамическими
силами Xkt связан с ними линейным законом
* Л
I^^LikXk, is=l, 2, ... , п,	(1.2)
где Lik — кинетические коэффициенты. Если термодинамические по-
токи и силы выбраны таким образом, что скорость производства
энтропии S* может быть представлена в виде
(1.3)
i
то для кинетических коэффициентов справедлив принцип симметрии
Онзагера
Lik-Lkb	(1.4)
При наличии зависимости кинетических коэффициентов от магнитного
поля справедливы более общие соотношения
U(B)=^L^(-B),	(1.5)
где В — вектор магнитной индукции.
13
(1.6)
поля$
ед,
плот-
Применение формул (1.2)—(Г.5) к процессам распространения
потоков тепла и электричества в кристаллах приводит к следующим
основным уравнениям для термоэлектрических, термомагнитных
и гальванотермомагнитных явлений [22, 36]:
, _	. . дТ \
® i ‘—Pikjk + ^im — ,
. ат
qi=T akljk —*lm ,
Олщ
где --------- у,}?- компонента напряженности электрического
Pik— компонента тензора удельного электросопротивления,
aim — компоненты тензора термоЭДС, qi — компонента вектора
ности теплового потока, jk — крмпонента вектора плотности -Электри-
ческого тока, х/ш — компонента тензора теплопроводности, р — элек-
трохимический потенциал носителей тока, е— их заряд, хт—де-
картовы координаты, индексы t, k, /, т пробегают значения 1, 2, 3,
причем по дважды встречающимся индексам ведется суммирование.
Первое из соотношений (1.6) часто записывают в виде
р	дТ
Н — Gik&k — ^ik^km — ,
где Oik — компоненты тензора удельной электропроводности.
Из принципа Онзагера (1.5) вытекают следующие свойства
зоров р, х, а, а:
Oik (В) = Gki (—В),
pffe(B) — рь-(—В),
Kim (В) — Kml (—В),
^km (В) = уг Пщ/г (—В),
где П&/ — компоненты тензора Пельтье. При В — 0 формула
дает следующие соотношения симметрии для тензоров р и х:
Щт— Kml- J
Тензор а, вообще говоря, не симметричный, однако для кристаллов
всех классов орторомбической системы, классов 32, 3m, 3m триго-
нальной системы, классов 422, 4mm, 42m, Ь/ттт тетрагональной
системы и классов 622, 6mm, 6m2, tymintn гексагональной системы
выполняется соотношение симметрии
(0) s= atnk (0).	(1.10)
При отсутствии магнитного поля в кубических кристаллах тензоры
а, р, х вырождаются в скаляры.
Структура тензоров р, х, а при В = 0 для кристаллов всех
классов приведена в табл. 1.1 и 1.2.
14
(1.7)
тен-
(1.8)
(1.8)
(1.9)
Таблица 1.1
Структура тензоров электросопротивления и теплопроводности
в системе главных, осей тензора [19]
Система	Структура тензора			Количество неза- висимых компо- нент
Триклинная Моноклинная Орторомбичес кая				3
Тригональная Тетрагональная Гексагональная		1	1 • • 1	? 1		2
Кубическая				1
Обозначения: • —компонента, равная нулю, ф  компонента,
отличная от нуля, ф—ф	равные компоненты.
15
Таблица 1.2
Структура тензора термоЭДС кристаллов [19]
Система	Классы	Структура тензора			Количество независи- мых компонент
Триклинная	Все классы		• • • • • •		9
Моноклинная	Все классы		• • • • • • _		5
Орторомбическая	Все классы		• • • • • • • • •		3
16
Продолжение табл. 1.2
Система	Классы	Структура тензора	Количество независи- мых компонент
Кубическая	Все классы	_ ♦ —	1
Тригональная Тетрагональная Гексагональная	з,1 4, 4, 4/т 6, 6, 6/т	• • •	3
Тригональная Тетрагональная Гексагональная	32, 3m, 3m 422, 4mm, 42m, 4/mmm 622, 6mm 6m2, 6mmm	' г  1 Ф • о 1		1	2
Обозначения: ф—Q — компоненты,- численно равные, но противо-
положные по знаку. Другие обозначения такие же, как и в табл. 1.1.
17
§ 2. Термоэлектрические явления
Термоэлектрическими явлениями принято называть эффекты возник-
новения в проводящих средах электродвижущих сил и электрических
гоков под воздействием тепловых потоков .и эффекты возникновения
геплот, дополнительных к джоулевому теплу, при протекании элек-
трического тока.
1. Возникновение термоэлектродвижущих сил,
эффект Зеебека
В неизотермической неоднородной или анизотропной среде при на-
личии градиента температуры напряженность электрического поля
Qi согласно первому уравнению (1.6) содержит не только омическую
также напряженность поля сторонних сил
неэлектрической природы
составляющую £ikjk, но
Рис. 1.1. Замкнутый кон-
тур в неизотермической
среде.
называемого термоэлектрическим полем.
ТермоЭДС в замкнутом неизотерми-
ческом контуре С (рис. 1.1) согласно об-
щему определению ЭДС может быть пред-
ставлена в виде

(1-12)
J	J	ОХт
С	С
Условия возникновения термоЭДС в раз_-
личных средах на основании выражения
(1.12) формулируются следующим обра-
зом.
В однородной изотропной среде

(1.13)
где — символ Кронекера, равный нулю при /=£ tn и единице при
т, а—скалярная величина, которая может зависеть от коорди-
нат только при ее зависимости от температуры. Тогда
<Г=^а(Т)уТ	(1.14)
и контурный интеграл (1.12) принимает вид
С
j rot {а (Г) \Т} ds ;= j j а (Г) rot уТ ds +
s	s
+Jj^[V7’xvnds = 0;	(1.15)
s
здесь S — произвольная поверхность внутри среды, ограниченная
контуром С,
18
Таким образом, в однородной изотропией среде термоэлектри-
ческое поле является потенциальным, термоЭДС в любом замкнутом
контуре равна нулю, термоэлектродвижущие силы не возникают.
Температурная зависимость коэффициента термоЭДС также не при-
водит к возникновению термоэлектродвижущих сил.
Однако потенциальный характер термоэлектрического поля в од-
нородной изотропной среде имеет место только в рамках выполни-
мости линейного и локального обобщенного закона Ома (I 7). Если
же связь между векторами j, $ и нелинейная или параметры а,
о зависят от процессов, происходящих не только в точке, где эти
параметры определены, но и в других точках среды (нарушение ло-
кальности), то возможно появление ЭДС в замкнутом контуре, вы-
полненном из однородного
изотропного вещества, или в
разомкнутом контуре между
точками, имеющими одина-
ковую температуру (ЭДС Бе-
недикса [27]).
Явление Бенедикса тео-
ретически и эксперименталь-
но изучено в полупроводни-
ках в условиях больших гра-
диентов температуры и разо-
грева электронного газа
электрическим полем, приво-
дящих к появлению неравно-
весной концентрации носи-
телей тока [3, 15, 41, 42].
Условия наблюдения эф-
фекта Бенедикса показаны
на рис. 1.2. ЭДС Бенедикса
Еь измеряется между точками
а — форма образца б — распределение тем-
ператур Т (х) по образцу.
1 и 2, находящимися при одинаковой
температуре Т Между этими точками температура изменяется вдоль
оси х так, что имеются два перепада температуры Г2 —Т1 = ДТ про-
тивоположного направления: один — на расстоянии Дх, меньшем длины
диффузии носителей тока /0, другой — на раегтоянии Дхх > /0.
При резком перепаде температуры [27] и малой неравновесной
добавке к концентрации носителей ЭДС Бенедикса в собственно?!
полупроводнике
k0 Ьв — 1 р2 \
(1.16)
Для примесного полупроводника п-типа
р ,_
«о2
(1-17)
bt,n
В формулах (1.16), (1.17) Z?o — постоянная Больцмана, е—заряд
электрона, bQ — отношение подвижностей электронов и дырок, п —
равновесная концентрация электронов, р1? р2 — концентрации дырок
при температурах 7\ и Т2, Q*, Q* — средние значения кинетической
энергии, переносимой электроном и дыркой.
19
В неоднородной изотропное среде коэффициент термоЭДС зави-
сит явно от координат, вследствие чего интеграл (1.12)
Е *=. (^) a (Т, xi) уТ dl
с
(1.18)
и в общем случае отличен от нуля.
В неоднородной изотропной среде термоЭДС возникает, когда
не равно нулю скалярное произведение yTdl, т. е. в тех случаях,
когда контур не является изотермическим.
Простейшим примером неоднородной среды может служить кон-
тур, составленный из двух различных однородных материалов А и В
(рис. 1.3). Для такого контура, называемого
обычно термопарой, выражение для термоЭДС
можно преобразовать к виду
(1.19)
где
Tt
T2
— J “B (T) dT
Рис. 1.3. Термо-
электрическая цепь
из двух материа-
лов.
— средние значения коэффициентов аА (Т),
ав(Т) ветвей термопары, 7\ и Т2 — темпера-
туры спаев.
Возникновение термоЭДС в контуре, состо-
ящем из двух или нескольких разнородных
проводников, спаи которых находятся при разных температурах,
носит название эффекта Зеебека.
Формулу (1.19) часто записывают в виде
Е — аАВ (^1 — ^г)>
(1.20)
где аАВ =* аА— ав. Величину аАВ называют удельной термоэлек-
тродвижущей силой или относительным коэффициентом термоЭДС
(коэффициентом Зеебека) материала А по отношению к материалу В,
а величины аА и ав—абсолютными коэффициентами термоЭДС
материалов А и В. Сведения об относительных и абсолютных коэф-
фициентах термоЭДС различных материалов приведены в Прило-
жении.
ТермоЭДС, обусловленная внутренними неоднородностями ве-
щества, в отличие от обычной термоЭДС, возникающей на спаях
термопары, получила название объемно-градиентной [8]. Она сущест-
венно зависит от распределения температур в среде и взаимной
ориентации векторов уа и уТ. Для полупроводниковых термоэлек-
трических материалов объемно-градиентная термоЭДС резко умень-
шается в области собственной проводимости, поскольку в этом слу-
20
чае влияние неоднородного распределения примесей на термоэлектри-
ческие свойства сводится к минимуму.
В анизотропной однородной среде коэффициенты atzn образуют
тензор второго ранга, компоненты которого явно не зависят от
координат, но могут зависеть от температуры.
ТермоЭДС, возникающая в анизотропном однородном материале,
согласно (1.12) определяется выражением
rot Г ds,
(1.21)
где величина
J дТ
д I akm т—
(1.22)
тех специальных случаев, когда распределе-
и параметры среды akm(T) удовлетворяют
(1.23)
Рис. 1.4. Условия возникновения
продольного и поперечного эффек-
тов Зеебека в анизотропной плас-
тине.
отлична от нуля, кроме
ние температур Т (хт)
системе уравнений
г. д I дТ\ Л
Qikt
В формулах (1.22), (1.23) Ош —
псевдотензор Леви — Чивита.
На рис. 1.4 приведена схема,
иллюстрирующая возникнове-
ние термоЭДС в плоском анизо-
тропном образце прямоугольной
формы. Градиент температуры
приложен вдоль оси у2 и равен
дТ Tj - Т2 dT_^Q
ду2 b ’ dyj
(1.24)
Пусть Xi, х2 — главные кристал-
лографические оси, которым со-
ответствуют компоненты диаго-
нального тензора термоЭДС «if
и а22. Тогда продольная термоЭДС, возникающая между точками
3 и 4, расположенными на линии, совпадающей с направлением гра-
диента температуры, определяется выражением
£*34 <— «22 (^1	^2)>
(1.25)
где компонента af2 в системе координат у^, у2 может быть выра-
жена через ац и «22 следующим образом:
«(2 =- an cos2 ф + а22 sin2 ф,	(1.26)
так что
^34 — (aii cos2 Ф + a22 sin2 Ф) (7\ — Т2).	(1.27)
Зависимость продольной термоЭДС от угла .кристаллографической
ориентации ф приведена на рис. 1.5.
21
В анизотропной среде возможен не только продольный, но
и поперечный эффект Зеебека (перпендикулярный градиенту темпе-
ратуры). ЭДС, возникающая между точками 1 и 2, лежащими на
изотерме,
2
^12 =	-1(^-7,),	-	(1.28)
1
где af2 — недиагональная компонента тензора термоЭДС, записанного
определяемая через главные значения
тензора термоЭДС:
в системе координат i/f, г/2»
Рис. 1.5. Зависимость продольной
термоЭДС от кристаллографической
ориентации. Полярный угол ф от-
считывается от кристаллографиче-
ской оси Xi, которой соответствует
термоЭДС ах±1> 7\ — const,
Механизмы возникновения
af2	2ii 222 sin	(j.29)
Таким образом, поперечная ЭДС
Зеебека
Р ____ Оц &22~ # v
Л1а--------2 Ь Х
X (7\ — Т2) sin 2ф. (1.30)
Из формулы (1.30) следует,
что поперечная ЭДС Зеебека
равна нулю, когда вещество изо-
тропно (ап — а22) или когда
градиент температуры совпадает
с кристаллографической осью
(ф — 0 или ф s= л/2). Особен-
ностью поперечной термоЭДС
является зависимость ее значе-
ния от геометрического мно-
жителя а/b (см. рис. 1.4).
термоЭДС. Причина возникновения
термоЭДС состоит в том, что средняя энергия носителей заряда
(а в полупроводниках часто и их концентрация) с ростом темпера-
туры увеличивается. Вследствие этого градиент температуры вызы-
вает диффузионный поток носителей, который в изотропной среде
направлен вдоль вектора уТ, а в анизотропном кристалле — и под
углом к этому вектору. В разомкнутой цепи в стационарном состоя-
нии (если отсутствуют условия для возникновения вихревых термо-
электрических токов) плотность тока в любой точке среды равна
нулю. Это происходит потому, что перераспределение носителей
заряда в среде приводит к появлению электрического поля, которое
компенсирует поток носителей, пропорциональный \Т\ при этом
в цепи возникает термоэлектродвижущая сила.
В металлах и вырожденных полупроводниках [4, 5] дифференци-
альная термоЭДС, как правило, меньше, чем в невырожденных полу-
проводниках. Для вырожденного электронного газа
л2 / . 3 \ k0T
(1-31)
22
где г — показатель степени в зависимости времени релаксации от
энергии, k0 — постоянная Больцмана, £0—энергия Ферми. В выра-
жении (1.31) множитель k0T/t[} принимает небольшие значения (при
300 К порядка ^5 • 10~3), поэтому термоЭДС металлез малы,
В невырожденном примесном полупроводнике со скалярной эф-
фективной массой и параболическим законом дисперсии коэффициент
дифференциальной термоЭДС определяется из соотношения
ka ((Трх)_____
е \ (т0> kj]
(1.32)
где т0 — время релаксации, а угловые скобки означают следующее
усреднение:
(а)
а (я) я3/2е“*^я.
(1.33)
При степенной зависимости времени релаксации от энергии фор-
мула (1.32) дает
« = ^{(г + 5/2)-Со/^Л =
((г + 5/2) + 1п 2 (2Ят*У)3/2
(1.34)
где /п* — эффективная масса
Значения параметра i и
величины г + 5/2 для различ-
ных механизмов рассеяния
приведены в табл. 1.3.
В том случае, когда
электропроводность обуслов-
лена носителями тока не-
скольких видов, суммарный
коэффициент термоЭДС опре-
деляется из выражения
« = у > (1.35)
где о — полная электропро-
водность, a и av — пар-
циальные электропровод-
ность и термоЭДС v-ro сорта
носителей тока.
носителей тока, h — постоянная Планка.
Таблица 1.3
Значения параметра г и величины
г4-512 для различных механизмов
рассеяния
Механизмы рассеяния	г	г4~5/2
Акустические фононы	-1/2	2
Ионы примеси Оптические фононы	3/2	4
при температуре выше температуры Дебая Оптические фононы	1/2	3
при температуре ниже температуры Дебая	0	2,5
Для собственного полупроводника (1.35) принимает вид
(Уп ।	® р
а - «п — + “р у,
(1.36)
где индексы п или р соответствуют электронам или дыркам.
В невырожденном собственном полупроводнике дифференциаль-
ная термоЭДС
23
ka	1	[ f , 5 , . 2(2«m>T)^
a = —-----;----i nun I г 4- — In  -----------
/5,2 (2лт>07’)3/а
-P«p^r + -+ln------------------
При низких температурах существенный вклад в эффект Зеебека
вносит увлечение носителей тока фононами. Фононная часть тер-
моЭДС аф может быть определена по формуле
k0 m*V0 <ТоТОф/То>
аФ ~~ е k0T
2k
—"Т~ J тоф О?*)	то — полное время релаксации но-
т0' — время релаксации, связанное со взаимодействием
с акустическими фононами, и0— скорость продольных
волн, q* — ъъмювъь число фонона, k — волновое число
W тОф
nh3
(1-37)
(т0>
(1.38)
сителей,
электрона
звуковых
электрона.
Если преобладающим механизмом релаксации является рассеяние
акустическими фононами, то
_ k0 m*vl С?0ф>
“ф~ е k0T (т0>
(1.39)
Поскольку в этом случае (т0) пропорционально Т 4, а (т0) пропор-
ционально Г-3/2, оСф изменяется по закону Г~7/2 и быстро возрас-
тает при снижении температуры. •
Выражения (1.31)—(1.39) относятся к случаю изотропной среды,
В анизотропной среде коэффициент термоЭДС, вообще говоря, яв-
ляется анизотропным и описывается тензором а^, свойства которого
приведены в § 1 настоящей главы. Анизотропия термоЭДС наблюдается
не всегда, условия ее возникновения были исследованы в работах
[11, 17, 38, 39]. На основе теории анизотропного рассеяния [13,
23—26] было установлено, что анизотропия термоЭДС может возни-
кать при одном типе носителей тока и нескольких механизмах рас-
сеяния с анизотропным временем релаксации, при одном механизме
рассеяния и двух или нескольких типах носителей тока, где по
крайней мере один сорт обладает анизотропией подвижности, и при
увлечении электронов фононами. Анизотропия термоЭДС может
возникать и при наличии непараболической и различной для разных
направлений зависимости энергии носителей тока от их квазиим-
пульса типа закона дисперсии Коэна [37] (при этом достаточно даже
одного типа носителей тока, а время релаксации может быть изо-
тропным).
Анизотропия термоЭДС обычно характеризуется разностью между
двумя выбранными компонентами тензора термоЭДС:
Да^= Ыц — а±,
где ац и а± — коэффициенты термоЭДС вдоль главных кристалло-
графических осей.
24
Для модели с одним типом носителей при смешанном рассеянии
на фононах и ионах примеси в отсутствие вырождения [38]
	Да — — — С±РИ ~CHPj- е	/2	\ ’	(1.40)
где	ео	оо л	С Xx4 dx	f* e~V dx	/т л ч 1ЬХ J *2 + а| х ’ “’X~J +	( } 0	0
ац х — приведенные в [38] параметры, определяемые концентрацией
ионов, диэлектрической постоянной, радиусом экранирования и дру-
гими характеристиками для процессов рассеяния.
Для модели с двумя типами носителей (изотропные дырки и ани-
зотропные электроны)-и одним типом рассеяния [38]
II °п ±)
Да = — у (44- ДЯ*)
(ар + <М)(ар + °п±)’’
(1.42)
где Д£*— приведенная ширина запрещенной зоны, ар— изотропная
электропроводность дырок, аЛц, ап± — компоненты тензора электро-
проводности электронов. Для такой модели анизотропия термоЭДС
существенно зависит от соотношения концентраций носителей, причем
при	__________
£_ —	(1.43)
п ир
реализуется максимум Да:	__
Да « -	(4 4- Д£*)	-	(1-44)
Un q , Un ± — компоненты тензора подвижности электронов,
=	(1.45)
°" II “л II
Другие результаты теоретических и экспериментальных исследо-
ваний, подтверждающие существование сформулированных выше ме-
ханизмов возникновения- анизотропии термоЭДС, приведены в работах
[1, 2, 33, 35].
2.	Эффект Пельтье
Протекание тока в неоднородной или анизотропной среде может
вызвать кроме выделения тепла Джоуля дополнительное выделение-
или поглощение тепла в зависимости от, направления тока. Впервые
такие дополнительные теплоты наблюдались в областях с резко вы-
раженной неоднородностью — на спаях разнородных материалов. Это
ярление носит название эффекта Пельтье. В общем случае количество
25
тепла Пельтье, выделяющегося в единице объема в единицу времени,
определяется из выражения
Яп
г ^==Т\1Г
k 'T=const ' cxk 'T=const
(1.46)
Здесь П^- и aik— компоненты тензора Пельтье и термоЭДС, j.—
компонента плотности тока, xk — координата.
Для изотропной среды формула (1.46) принимает вид
(1.47)
Рис. 1.6. Эффект
Пельтье на границе
двух материалов.
(П и а — скалярные коэффициенты Пельтье и термоЭДС), откуда
видно, что эффект Пельтье возможен только при наличии неоднород-
ности среды При этом эффект Пельтье является продольным, т. е.
он возможен лишь в тех случаях, когда изменение термоЭДС про-
исходит вдоль вектора плотности тока /. -
При этом, как и в случае эффекта Зеебека, следует различать
два типа неоднородности. Неоднородность может быть сосредоточена
на некоторой поверхности (обычный эффект
Пельтье на границе раздела различных матери-
алов) и распределена по объему (объемный эф-
фект Пельтье [7, 10]).
Простейшим случаем проявления эффекта
Пельтье является выделение или поглощение
тепла на спае двух различных материалов (рис.
I.S). Тепло, выделяющееся на полной поверх-
ности спая в единицу времени при пропускании
тока /,
^П“ПАВ^’	(1.48)
где коэффициент Пельтье ПАВ определяется
лишь природой материалов А и В. Коэффициент
Пельтье связан с коэффициентом Зеебека аАВ
следующим образом:
пав ТаАВ>
где Т — температура спая. Это соотношение
носит название первого термоэлектрического соотношения Томсона.
Причина явления Пельтье состоит в том, что при переходе носи-
телей тока через контакт двух материалов их средняя энергия меня-
ется. При этом если, например,-электроны переходят из полупровод-
ника и-типа в металл, то их энергия уменьшается до энергии Ферми
и в непосредственной близости от контакта происходит выделение
тепла. При изменении направления тока электроны, переходя из ме-
талла в полупроводник, поглощают энергию и охлаждают контакт.
Коэффициент Пельтье П может быть выражен через микроско-
пические параметры вещества (эффективную массу, время релаксации
и др.) на основе первого соотношения Томсона, и выражений для сх,
приведенных в § 1 этой главы.
26
Объемный эффект Пельтье для распределенной по объему неод-
нородности описывается формулой (1.47). Такой эффект приводит
к нарушению первого соотношения Томсона на контакте двух различ-
ных неоднородных материалов. Это явленйе подробно исследовано
в статьях [29—31], в которых показано, что обусловленные прост-
ранственными неоднородностями отступления от первого соотношения
Томсона, где коэффициенты термоЭДС и Пельтье заменены усред-
ненными по объему, могут быть значительными для полупроводни-
ковых материалов. В этих работах показано, что объемный эффект
Пельтье в изотропных средах вызван той же причиной, что и объемно-
градиенгная термоЭДС, а именно — пространственной неоднородностью
материалов.
Рис. 1.7. Схема наблюдения объемного эффекта Пельтье.
Рис. 1.8. Поперечный эффект Пельтье на свободной поверх-
ности кристалла.
Для анизотропной среды первое термоэлектрическое соотношение
Томсона записывается в виде
П(А«ТаАг.	(1.49)
На рис. 1.7 схематически представлены условия наблюдения
объемного эффекта Пельтье в анизотропном кристалле. Ток проте-
кает под углом к главным кристаллографическим осям вдоль оси
Компоненты тензора термоЭДС сс^ и aff в системе координат
у2 изменяются:	Vaf2 '= 0- При этом в единице объема кристалла
в единицу времени выделяется (поглощается) тепло Пельтье
?п“<7п|Г + ?п ±»	^-бО)
где
<?П || Т	sin2 Ф + а22 cos2 ф) Д,	(1.51)
где ац, а22 — главные значения тензора термоЭДС в системе кри-
сталлографических осей x2; j±— компонента плотности тока вдоль
оси xt. Выражение (1.51) описывает продольный эффект Пельтье,
обусловленный изменением ^компоненты тензора термоЭДС вдоль на-
27
и в однородной среде, при этом
Рис. 1.9. Поперечный эффект
Пельтье на границе раздела
двух анизотропных сред; х£,
х% и х* , х 2 —- главные крис-
таллографические оси кристал-
лов А и В.
правления тока. Эффект является анизотропным, поскольку <7П ц за-
висит от угла кристаллографической ориентации ф.
Наряду с продольным возможен и поперечный эффект Пельтье,
обусловленный изменением компоненты тензора термоЭДС перпенди-
кулярно направлению тока. Эффект описывается формулой (1.52), из
которой следует, что необходимым условием его возникновения явля-
ется непараллельность вектора плотности тока главной кристалло-
графической оси (при ф^=0 или ф s= л/2 эффект исчезает).
В отличие от продольного, поперечный эффект Пельтье возможен
”	он возникает только на ее поверх-
ности, даже в том случае, когда
эта поверхность не приведена в кон-
такт с каким-либо другим прово-
дящим телом (рис. 1.8). Количество
тепла, выделяемого на единице по-
верхности в единицу времени,
?п — Д =
= Т W11 ~ sin 2<р . it. (1.53)
Из формулы (1.53) видно, что попе-
речный эффект Пельтье на свобод-
ной поверхности кристалла опреде-
ляется значением анизотропии тер-
моЭДС ац — а22.
Состояние поверхности, на ко-
торой происходит выделение тепла
Пельтье, оказывает определенное
влияние на значение эффекта. В ра-
боте [6] исследована зависимость поперечного эффекта Пельтье в ани-
зотропных полупроводниках с двумя типами носителей тока от ско-
рости рекомбинации носителей на поверхности. Показано, что соот-
ношение (1.53) строго выполняется при бесконечной скорости поверх-
ностной рекомбинации.
Поперечный эффект Пельтье может иметь место и на контакте
двух анизотропных сред (рис. 1.9). Если плотность тока, протекающего
вдоль контакта, равна /, а значения недиагональных компонент тен-
зора термоЭДС материалов А и В в системе осей yi, у2 составляют
Д R
соответственно а" и а", то на единице площади поверхности кон-
такта выделяется тепловая мощность
9п=7’(а^-а1В2)/-	(1.54)
3.	Эффект Томсона
Эффект Томсона состоит в выделении или поглощении тепла в объеме
неизотермичнбй проводящей среды, через которую протекает элект-
рический ток. Эффект (т.епло Томсона) является следствием неизотер-
мичности среды. Тепловая мощность, выделяющаяся в единице объема
среды,
дТ .
q т _ тт, ik jk<t	(1.55)
28
где тт ik — компоненты тензора Томсона, связанные с компонентами
тензора термоЭДС aik соотношением
daik
т — т________—
тт, ik - 1 дТ '
(1.56)
Формула (1.56) носит название второго термоэлектрического соот-
ношения Томсона.
Комбинируя (1.49) и (1.56), имеем
ТТ, ik ~~	aik'
(1.57)
Из формулы (1.57) видно, что в образовании тепла Томсона
участвуют два механизма. Во-первых, наличие градиента температуры
приводит к появлению термоэлектрического поля, пропорционального
atk. Заряды при движении в этом поле совершают положительную
или отрицательную (в зависимости от направления тока) работу, что
приводит к выделению или поглощению тепла. Во-вторых, изменение
коэффициента Пельтье в неизотермической среде обусловливает
неоднородность среды (даже однородной в изотермических условиях)
и приводит к эффекту Пельтье на этой неоднородности.
Однородная изотропная среда. Как видно из соотношений (1.55),
(1.56), анизотропия или неоднородность среды не являются необхо-
димыми условиями для возникновения эффекта Томсона. Он может
существовать и в однородной изотропной среде, для которой выра-
жение (1,56) имеет вид
<7Т >= тт (grad Т • /).	(1.58)
Из формулы (1.58) видно, что в такой среде возможен только про-
дольный эффект Томсона. Эффект вызывает только продольная по
отношению к градиенту температуры составляющая вектора плотности
тока.
В неоднородной изотропной среде эффект Томсона описывается
также формулой (1.55), однако в ней коэффициент Томсона является
переменной величиной, зависящей от координаты. Такой эффект
Томсона носит название объемно-градиентного. Он был подробно
исследован в работе [9], где было показано, что объемно-градиент-
ный эффект Томсона в полупроводниках пропорционален кубу плот-
ности тока, если градиент температуры создается за счет неравномер-
ного нагрева образца протекающим током. Условие (1.57), которое для
изотропной среды имеет вид
тт + а-^ = °,	(1.59)
нарушается за счет совместного действия объемно-градиентных эф-
фектов Зеебека, Пельтье и Томсона, если входящие в это условие
величины тт, а, П рассматривать как усредненные по объему образца.
29
В анизотропной среде возможно возникновение как продольного,
так и поперечного (рис. 1.10) эффектов Томсона. В изображенном
на рисунке кристалле электрический ток протекает под углом к глав-
ной кристаллографической оси, а градиент температуры имеет две
составляющие: продольную -— и поперечную . Тепловая мсщ-
°У1	ду2
дТ 	У\
дУ\ _
Рис. 1.10. Условия возникнове-
ния'поперечного эффекта Том-
сона.
ность, выделяемая за счет эффекта
Томсона в единице объема
7 т 1— 7т ц “г 7т ± '—
,г^дТ_ _
д7' дух 1 "г дТ ду2 1
~Т (an sin2 <р J- а22 cos2 ф) X
«и — «22х, дТ :
---2~К1/Х’
(1.60)
дТ
Wi
д
дТ
где первое слагаемое qT ц описы-
вает продольный эффект Томсона,
второе 7т ± ~~ поперечный эффект Томсона, остальные обозначения
те же, что и в (Т.51), (1.52).
Эффект Томсона является нечетным по отношению к току и гра-
диенту температуры, он изменяет знак при изменении направления
одной из указанных величин.
4.	Эффект Бриджмена
Явление Бриджмена возможно только в анизотропных средах. Оно
состоит в выделении (поглощении) тепла в объеме кристалла при
пропускании через него электрического тока так, чтобы вектор плот-
ности тока j изменял ориентацию относительно кристаллографиче-
ских осей [19]. Тепловая мощность, выделяющаяся в единице объема
кристалла за счет эффекта Бриджмена,
дц
c,b~Taikdx'k'
Эффект Бриджмена, как это видно из формулы (1.61), обусловлен
исключительно анизотропией среды: при скалярной величине а в ста-
ционарных условиях
7B=7’czdivj —0.	(1.62)
На рис. 1:11, а приведен пример возникновения эффекта Бридж-
мена. Ток пропускается через Г-образный кристалл, главные кри-
сталлографические оси которого и х2’параллельны граням образца.
В области, обозначенной на рисунке штриховой линией, производные
djJdXfr отличны от нуля, поскольку компонента тока /х уменьшается
до нуля, а компонента /2 становится отличной от нуля. По этой
30
причине в указанной области имеет место выделение тепла Бридж-
мена, мощность которого в единице объема
'г! d/i . dj2\
q^:=T\aild7i + a22dTj-
(1.63)
Эффект Бриджмена можно рассматривать как своеобразный
«внутренний» эффект Пельтье в анизотропной среде. Изображенный
на рис. 1.11, а образец можно представить в виде контакта двух
брусков, кристаллографическая ориентация которых отличается по-
б — схема, иллюстрирующая связь эффектов Бриджмена и Пельтье.
воротом на прямой угол (рис. 1.11, б). На контакте этих брусков
выделяется продольное тепло Пельтье, которое в такой модели экви-
валентно теплу Бриджмена.
§ 3. Га л ьванотермо магнитные явления
в изотропной среде
Гальванотермомагнитными называются физические явления, приводя-
щие к выделению тепла или возникновению градиентов температуры
при пропускании электрического тока через образец, помещенный
в магнитное поле. К этим эффектам обычно не относят выделение
тепла Джоуля и обусловленные им градиенты температуры.
Исходным для описания этих эффектов является второе из урав-
нений (1.6):
тл .	дТ
‘h-^lklk-^lmdT-	(1.64)
ихпг
Изотропная среда, помещенная в магнитное поле, направленное вдоль
оси х3, приобретает своеобразную анизотропию, поскольку направле-
ние магнитного поля в среде становится выделенным. Такую анизо-
тропию принято
зоры, входящие
[16, 19, 28]:
П =
называть гиротропией. Для гиротропной среды тен-
в уравнение (1.64), имеют следующую структуру
Пи П12 0		Иц ^12 6	
—П12 Пи 0		— Х12	6	.	(1-65)
0	0 П33		0	0 х33	
31
Гальванотермомагнитные явления в гиротропной среде (см. рис. 1.12) [/6]
Таблица 1.4
Тип эффекта			Эффект	Пер- вичный ток	Измеряе- мая вели- чина	Соотношение, определяющее эффект	Дополни- тельное условие	Условия ади- абатичности или изотер- мичности
Попе- реч- ный	IIIIII ootn со		Эттингсгаузена, адиабатический	/1	дТ дх.2	дТ 			 р g ,	 ^21 /1	Э	Х22	г-0 дх-±	<72 — 0
Продольный	в поперечном поле	II II 11 ooto со	Нернста, изотерми- ческий Нернста, адиабати- ческий	71	дТ дх^	дТ d%i __пц _ 71	Х11 дТ | Пг1Х21^| 71 хЛ 11 хи /	<71 — 0	дТ дх2 “° <72 = 0
	в продоль- ном поле	со oq о о II 11 11 CQ	—	/з	дТ 3^	_ дТ ~~ дх3 _ П33 /з	хзз	71 = 7г— ^=0	<7з = 0
Обозначения: /^ — плотность тока, — компонента вектора магнитной индукции, — градиент температур
Pg — коэффициент Эттингсгаузена, q2 — компонента теплового потока, — компонента коэффициента Пельтье, Х^ — компо-
fl	2
нента тензора теплопроводности, X 11 = хи(1 SдВ2), Эд — коэффициент Риги — Ледюка.
вследствие чего система уравнений (1.64) принимает вид
<	71 - Пп/1 + П/2/2 -	_ х12 __ ,
П • I П • , дт	дТ
<	72 = -П12/1 + Пи/2 + х12^-Х11^-, ,
п • дТ
<	7з — “зз/з — хзз зтг •
(1.66)
В табл. 1.4 приведены гальванотермомагнитные эффекты в гиро-
тропной среде с принятыми для них наименованиями и обозначениями
[20]. В зависимости от принятых ограничений по тепловым потокам
и распределению температуры эффекты разделяют на адиабатические
и изотермические.
Для слабых магнитных полей с точностью до членов/квадра-
тичных по магнитному полю, уравнения (1.66) могут быть перепи-
саны в виде одного векторного уравнения ,
q = aTj— xvT’ + Q-'-TBx j + 5ЛВ X v?,	(1.67)
где 5Л — коэффициент Риги — Ледюка, Q1- — коэффициент Нернста—
Эттингсгаузена, физический смысл которых излагается в § 4 этой
главы.
1.	Эффект Эттингсгаузена
Если по образцу, помещенному в магнитное поле, пропускать элект-
рический ток / l| Xf, то в перпендикулярном току и магнитному полю
направлении возникает градиент
дТ
температуры-— (рис. 1.12). Значе-
ние градиента температуры сущест-
венно зависит от условий тепло-
обмена на гранях А и В, перпенди-
кулярных градиенту температуры.
Если эти грани адиабатически изо-
лированы, градиент температуры
максимальный. Градиент темпера-,
туры в этом случае определяется
уравнением
<L68>
где' — коэффициент Эттингсгау-
Рис. 1.12. Схема, поясняющая
возникновение термомагнитных
и гальванотермомагнитных эф-
фектов.
зена. В изотермических условиях эффект равен нулю. Значение
может быть выражено через компоненты тензоров и следую-
щим образом:
(L69)
Эффект Эттингсгаузена вызывается двумя основными механиз-
мами: первый из них относится к случаю, когда в образце есть один
2 9-413
33
тип носителей гока, второй — к случаю, когда имеется два или более
типов носителей (электроны и дырки). В первом случае на электрон,
движущийся со скоростью v, действует поперечная сила
В = — evBA-e&H,	(1.70)
где первый член—сила Лоренца, второй — противоположно направ-
ленная сила, обусловленная холловским полем которое возникает
вследствие отклонения электронов в магнитном поле. Эти силы вза-
имно компенсируются лишь при некоторой средней скорости t70, опре-
деляемой равенством
- е$н
(1.71)
Если электрон движется со скоростью v > цс, то сила Лоренца пре-
вышает силу электрического поля Холла и электрон отклоняется
к грани В; если v < t>0, то он отклоняется к грани А. В результате
этого происходит разделение «горячих» и «холодных» электронов, т. е.
электронов с большими и меньшими кинетическими энергиями. Грань
В образца при этом нагревается, а грань А охлаждается, поскольку
установление локального термодинамического равновесия приводит
к тому, что атомы верхней грани отдают часть энергии «холодным»
электронам; на нижней грани происходит обратный процесс.
Во втором случае электроны и дырки отклоняются магнитным
полем к одной и той же грани и их рекомбинация приводит к выде-
лению энергии; у противоположной грани электронно-дырочные пары
генерируются, отбирают у кристаллической решетки энергию и тем
самым охлаждают ее.
2.	Эффект Нернста
Эффект Нернста состоит в возникновении разности температур вдоль
направления электрического тока (вдоль хг) в образце, помещенном
в магнитное поле (В || х3), направленное перпендикулярно току (/ Цл^)
(см. рис. 1.12).
Градиент температуры, вызванный эффектам Нернста, для слу-
чая адиабатической изоляции граней образца Л, В, С, D определя-
ется соотношением
дТ
(1.72)
где
(L73>
— адиабатический коэффициент Нернста, х® t= иц (1 + SjjB2).
Если условия таковы, что градиент температуры вдоль оси х2
отсутствует (грани С и D по-прежнему адиабатически изолированы),
то эффект носит название изотермического и продольный градиент
температуры определяется соотношением
дТ
^r-N‘Bh,	(L74)
34
где
<>’5>
— изотермический коэффициент Нернста.
Эффекту Нернста можно дать следующее качественное объясне-
ние. Поперечное магнитное поле по-разному искривляет траектории
носителей, движущихся в продольном потоке с различными скоро-
стями, поскольку сила Лоренца зависит от скорости частицы. Это
приводит к тому, что при включении магнитного поля распределение
носителей по скоростям в продольном потоке изменяется вдоль оси
Xi, что и вызывает появление продольного градиента температур.
3.	Продольный гальванотермомагнитный эффект
При пропускании тока через образец (/ ][ х3), находящийся в продоль-
hqm по отношению к току магнитном поле (В][х3), может возникать
градиент температуры ), направленный вдоль магнитного поля
\ох3/
(см. рис. 1.12). Этот гальванотермомагнитный эффект не имеет назва-
ния. Для случая, когда все грани образца адиабатически изолиро-
ваны, градиент температуры определяется соотношением
£1 = Пзз
дх3 *зз *'
(1-76)
§	4. Термомагнитные явления
в изотропной среде
Термомагнитными называются явления, возникающие в среде, поме-
щенной в магнитное поле, при протекании через нее тепловых пото-
ков. В табл. 1.5 приведена классификация термомагнитных эффектов
для гиротропной среды [4, 5, 16, 28, 40]. Исходными уравнениями
для классификации являются уравнения (1.6), которые для изотропной
среды, помещенной в магнитное поле, направленное вдоль оси х3,
имеют вид (1.66) и
р . ,	. дт ат
— Pii/i + Pi2/2 — aii — ai2 »
^2 *= P21/1 + P11/2 + ai2 ^7—aii^2 , >	П-77)
«	. dT
®3 53 Рзз/з — a33 0^7 >
где — компонента вектора напряженности электрического поля,
pik и aik — компоненты тензоров удельного сопротивления и тер-
моЭДС. В слабых магнитных полях с точностью до членов, квадра-
тичных по магнитному полю, уравнения (1.77) можно представить
в виде
*= /7а + а?Т+ /?ХВ х j + Q±B X vT, (1.78)
2*
35
Таблица 1.5
Термо магнитные явления в гиротропной среде (см. рис. 1.12) f/6]
Тип эффекта			Эффект	Коэффи- циент	Первичный тепловой поток	Величина, характеризующая ; эффект	'	Условия адиа- батичности или язотермичности
Поперечный	О 11 . 00 II cq5.^ 11 II ОД		Риги — Ледюка, адиабати- ческий	5 Л	<71	дТ дх2	9г = 0
			1 сТийеРМИЧе’ Эттингс- >	л гя^еня	1 адиабатиче- гаузена	J ский	<?ах	<71	Е2	3*2 <?2= 0
Продольный	в поперечном поле	о II со. со CQ И 11 oq "• II т-4	Мар“Г 1 л«”“ Iss6™'"		Qi	ДХц (В) ~ Xj! (В) — — х(0)	QjI Qj - II	II °	о
			1=₽миче- ,	адиабатиче- гаузеиа	| ский	0? Q'k	<71	Дан (В) = ап (В) — — а(0)	1'	и °	о
	в продоль- ном поле	о л QQ •'-< IIII 00 т	Изменение теплопроводности	—	<7з	Дх33 (В) = х33 (В) — -х(0)	—
			МагнетотермоЭДС	—	<7з	Дх33 (В) = а33(В) — — а(0)	—
где — коэффициент Хот ла, 0J- — коэффициент Нернста— Эт-
тингсгаузена, о—удельная элек1ропроводность, уТ—градиент тем-
пературы.
1.	Поперечный эффект Нернста—Эттингсгаузена
Поперечный эффект Нернста — Эттингсгаузена состоит в возникно-
вении электрического поля $2 ($2 II *2), перпендикулярного прило-
женным к образцу градиенту температуры дТ1дхх и магнитному'
полю В3 (В3 || х3) (см. рис. 1.12). Напряженность поперечного поля
Нернста—Эттингсгаузена определяется выражением
=	(1.79)
а разность потенциалов между гранями А и В, перпендикулярными
оси х2, — формулой
$ = — Q^-Ba/b(T1 — Т2),	(1.80)
где а и b— геометрические размеры образца, Т\ и Т2— температуры
граней С и D. По форме выражение (1.80) совпадает с формулой
(1.28) для поперечной термоЭДС. Это совпадение не случайно: оно
о бусловлено тем, что в гиротропной среде недиагональная компо-
нента тензора термоЭДС равна—
ЭДС Нернста — Эттингсгаузена существенно зависит от теплового
режима в направлении оси х2. Если в этом направлении градиент
температуры отсутствует, то эффект называется изотермическим; он
характеризуется изотермическим коэффициентом поперечного эффекта
Нернста — Эттингсгаузена
(1.81)
Если вдоль оси х2 тепловой поток отсутствует (грани А и В адиаба-
тически изолированы), то эффект называется адиабатическим и харак-
теризуется адиабатическим коэффициентом Нернста — Эттингсгаузена
Щ =	С.82)
Наличие второго слагаемого в формуле (1.82) обусловлено тензорным
характером теплопроводности в гиротропной среде.
Используя соотношения (1.8), можно показать, что изотермиче-
ский коэффициент Нернста — Эттингсгаузена связан с адиабатическим
коэффициентом Эттингсгаузена соотношением
7Q/- = Рэх1Ь	(1.83)
которое называется соотношением Бриджмена и является следствием
применения первого соотношения Томсона (1.4^) к гиротропной среде.
Возникновение поперечного эффекта Нернста — Эттингсгаузена
обусловлено тем, что наложение магнитного поля приводит к воз-
никновению поперечных по отношению к первоначальному градиенту
температуры и магнитному полю потоков носителей заряда, которые
в стационарных условиях компенсируются противоположными по
37
направлению дрейфовыми потоками только при возникновении попе-
речного поля Нернста — Эттингсгаузена.
Для невырожденного примесного полупроводника коэффициент
Нернста — Эттингсгаузена определен в работах [4, 5].
В слабом магнитном поле
где Г — гамма-функпия Эйлера, г — параметр рассеяния (см. табл. 1.3).
Из (1.84) для различных механизмов рассеяния получены сле-
дующие выражения: при рассеянии на акустических фононах		(1.85)
	ОХ=3__^}^ои 16 е п> р’	
при рассеянии на	ионах примеси л.	945л k0 1024 7	(1.86)
при рассеянии на	оптических фононах выше „2.	45л ko Q^256TUn.P>	температуры Дебая (1.87)
при рассеянии на	оптиИёских фононах ниже Q^O.	температуры Дебая
В сильном магнитном поле
= ® 7 «<<>-<<>}•	<L88I
где т*— эффективная масса носителей тока, В — магнитная индук-
ция, остальные обозначения такие, как в (1.32).
При рассеянии на акустических фононах из (1.88) следует
16	1
При наличии вырождения вместо формул (1.84) и (1.88) следует
использовать выражения
_ Jt2 ето(£о) k0T
7	3 е т* go
(в слабом магнитном поле),
(1.90)
__ я2 k0 т* k0T
1 ~ "з” Г е еха ($о)Ва
(в сильном магнитном поле), (1.91)
где g0 — уровень Ферми, т0 (g0) — время релаксации носителей на
уровне Ферми.
38
Знак q£ в этом случае определяется, как это видно из (1.89)
и (1.90), знаком параметра рассеяния г.
Для полупроводника со смешанной проводимостью значение Q±
может быть вычислено по формуле
*= Ц'У иНп + у иНрI г + -^2~(иНп + иНр) X
х(2г + 5+^),	(1.92)
\	«(И /)
где иНп и иНр— холловские подвижности электронов и дырок, о —
полная электропроводность.
2.	Продольный эффект Нернста—Эттингсгаузена
Продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена заключается в том,
что в образце, где имеется градиент температуры дТ/дх-^, при нало-
жении поперечного по отношению к градиенту температуры магнит-
ного поля В (0, 0, В) вдоль градиента температуры возникает элект-
рическое поле, дополнительное к существующему в отсутствие маг-
нитного поля термоэлектрическому полю (см. рис. 1.12).
Вследствие этого между гранями образца Си/), перпендикуляр-
ными градиенту температуры, возникает кроме продольной ЭДС
Зеебека дополнительная продольная ЭДС Нернста — Эттингсгаузена,
которая определяется выражением
£(В)-В(0)^&[^ (В) -(0)] =
= Q"S£6=[a(S)~a(0)]S6’	<L93)
где b — длина кристалла в направлении градиента температуры, Q || —
коэффициент продольного эффекта Нернста — Эттингсгаузена, (В),
(0) и а (В), a (0) — напряженность электрического поля и коэф-
фициент термоЭДС вдоль Xf при В 0 и В = 0 соответственно,
Е (Ь) и Е (0) — разность потенциалов между гранями С и D в маг-
нитном поле и нулевом поле соответственно.
Таким образом, продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена
состоит в изменении коэффициента термоЭДС з магнитном поле или,
иными словами, во влиянии поперечного магнитного поля на про-
дольный эффект Зеебека. Из (1.93) видно, что
Для изотермического случая (dT/dx2t=ty коэффициент продольного
эффекта Нернста — Эттингсгауз.ена может быть выражен через ком-
поненты тензора термоЭДС гиротропной среды следующим образом:
II Ди - <хи (0)
=	52	•	(1.95)
39
В адиабатическом случае (грани А и В теплоизолированы) коэффи-
циент Q И имеет вид
'ls6i
Продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена возникает вслед-
ствие того, что поперечное по отношению к градиенту температуры
магнитное поле изменяет условия компенсации продольных дрейфо-
вого и диффузионного потоков носителей заряда, поэтому в магнит-
ном поле такая компенсация наступает уже при ином, чем в отсут-
ствие поля, значении продольной ЭДС.
Для невырожденного примесного полупроводника в слабом
магнитном поле продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена опи-
сывается выражением
Да (В) = а (В) - а (0) = - г (u„, рВ)2 х
/Г2 (2г + 5/2) _ Г (Зг + 5/2) \	п 97)
\ Г4 (г + 5/2) г3 (г + 5/2) } ’	* f
где Г — гамма-функция Эйлера, г — параметр рассеяния (см. табл. 1.3).
Для невырожденного примесного полупроводника в сильном маг-
нитном поле
Да (В) = £*»,	(1.98)
В~+ оо	в
что дает: для рассеяния на акустических фононах Да (В) = kQ/2e\
для рассеяния на ионах Да (В) — 3k0/2e.
В металлах и вырожденных полупроводниках продольный эффект
Нернста — Эттингсгаузена чрезвычайно мал. Для слабых полей он
определяется выражением
Да(В)Д(И„ Д?г|Д|.	(1.99)
Для сильных полей в таких материалах следует применять
формулу
Да (В) s= г felL) .	(1.100)
В-+ оо	в 3	\ Go /
В случае смешанной проводимости в слабом магнитном поле
h л 1 I	/ CLr \ о п
Да (В) = В2 ± |(2 - 2г)	- у) (*Х “
-СТХ) + ап°р №рип — арир) (M6r + 5) - аг <3г +
+ 5)) + ьг (оригп — опигр) (4г + 5) — 2аг (ап — ар) (г +
+ 5/2)	+ ап°р [(6г — аг2) (ап“п — ар“р) —
-маХ-^~аЖ-ар)Мо]^т}’
40
где
_ 3 /л Г (2r + 5/2)	_ 9л Г (Зг + 5/2)
4 Г2 (г 4-5/2)’ г*~ 16 Г3 (г 4- 5/2) '
При смешанной проводимости в сильном магнитном поле
А	1	'
Да (В) = — -------1----------- г (о п 4--О„р) —
7 е (а„ 4- ар)(п - р) [ п т р1'1
(1.102)
(1.103)
здесь
С‘ :=9ЛГ(г + 3/2)Г
/ 4
^(зтЫ r(5/2~2r)r?(r + 5/2)»
где пир — концентрации электронов и дырок.
3.	Эффект Риги — Ледюка
Эффект Риги—Ледюка заключается в возникновении поперечного
по отношению к первичному градиенту температуры и магнитному
полю градиента температуры. Если вдоль оси хх образца (см.
рис. 1.12) создан градиент температуры дТ/дх-^ и наложено магнит-
ное поле вдоль оси х3, то в 1ретьем перпендикулярном направлении
х2 возникает градиент температуры
дТ Q ьдТ	/Т 1АЛ\
<L104)
где — коэффициент Риги—Ледюка. Значение дТ1дх2 максимально
при условии, если тепловой поток вдоль оси х2 отсутствует (адиа-
батический эффект Риги—Ледюка). В этом случае коэффициент 5Л
можно выразить через компоненты тензора uik (В) следующим образом:
(1.105)
Причина возникновения эффекта Риги—Ледюка такова. Потоку
тепла вдоль оси хх в отсутствие электрического тока соответствует
преимущественное движение «быстрых» электронов от горячего
конца образца к холодному. Так как отклонение электронов в маг-
нитном поле пропорционально их скорости, то в направлении оси х2
должны возникнуть и поперечный градиент температуры и попереч-
ная ЭДС (Нернста—Эттингсгаузена). Таким образом, эффект Риги—
Ледюка является тепловым аналогом эффекта Эттингсгаузена.
41
4.	Эффект Маджи—Риги—Ледюка
Эффект Маджи—Риги—Ледюка состоит в изменении продольной
по отношению к градиенту температуры компоненты тензора тепло-
проводности при наложении поперечного магнитного поля. Если
в образце (см. рис. 1.12) вдоль оси xt создан градиент температуры
дТ/дх^ то в отсутствие магнитного поля возникает тепловой поток
через образец, который определяется теплопроводностью х (0):
д(0)^-х(0)|Е.	(1.106)
При наложении магнитного поля вдоль оси х3 значение теплового
потока вдоль оси xt изменяется и определяется значением компоненты
тензора теплопроводности хц (В):
дТ
(1.107)
Эффект определяется разностью Дх£1*=х(0) — XjX, коэффициент
Маджи—Риги—Л едюка
к 	1	(0)	/т 1
*= 5Й0)----дГ-----•	(L 108)
дх±
Для адиабатических условий (тепловой поток вдоль оси х2
отсутствует)
х (0) — Xjf — х^/Xfi
-------мот •	(L109
Изотермический коэффициент Маджи—Риги—Ледюка
v-i  х (0)	^11	/т цл\
МО) •	('110)
Причина возникновения эффекта Маджи—Риги—Ледюка заключается
в том, что поперечное магнитное поле изменяет часть теплопровод-
ности материала, обусловленную переносом тепла носителями заряда,
поскольку это поле изменяет компоненты скорости электронов
в направлении градиента температуры,
5.	Эффекты в магнитном поле, продольном
по отношению к градиенту температуры
Если на образец наложить в одном и том же направлении, напри-
мер вдоль оси х3 (см. рис. 1.12), градиент температуры и магнитное
поле, то в изотропной однородной среде возникают следующие два
термомагнитных эффекта. Первый из них состоит в изменении коэф-
фициента теплопроводности при наложении магнитного поля; он отли-
чается от эффекта Маджи—Риги—Ледюка продольной ориентацией
магнитного поля по отношению к градиенту температуры. Этот
эффект определяется разностью
Дх33 (В) х (0) — х83 (В).	(1.111)
42
Второй эффект состоит в изменении коэффициента термоЭДС при
наложении продольного по отношению к градиенту температуры
магнитного поля. Эффект количественно может быть охарактеризо-
ван разностью
Да33 (В) х= а (0) — а33 (В).	(1.112)
§ 5. Классификация гальванотермомагнитных
и термомагнитных явлений
в анизотропной среде
1.	Классификационные признаки
и основные обозначения
Рациональная система классификации гальванотермомагнитных и тер-
момагнитных эффектов в анизотропной среде приведена в работах
[18, 34]. Эта система классифицирует эффекты по пяти признакам*.
Первый признак — исходный термодинамический поток (или
сила). По этому признаку в совокупности явлений переноса, возни-
кающих при совместном протекании потоков тепла и электричества
в присутствии магнитного поля, выделяют две группы явлений:
гальванотермомагнитные и термомагнитные. В дальнейшем исходный
термодинамический поток (или силу) будем называть первичным
вектором. К термомагнитным относят такие явления, для которых
первичным вектором является градиент температуры \/Т или поток
тепла q, к гальванотермомагнитным — такие, для которых первичным
является вектор плотности электрического тока j.
Второй признак — наблюдаемая экспериментально обусловленная
эффектом физическая величина (далее для краткости называемая
«вторичной»). По этому признаку можно выделить три группы явле-
ний: вольтаические, термоградиентные и калорические.
К вольтаическим относятся явления, для которых вторичным
является дополнительное электрическое поле (или разность потен-
циалов), возникающее при наложении магнитного поля.
Термоградиентные явления проявляются как возникновение
дополнительных градиентов температуры в среде, где созданы элект-
рические токи или тепловые потоки при наложении магнитного поля.
К калорическим эффектам относят выделение тепла в объеме
среды (объемные калорические эффекты) или на границах раздела
сред (поверхностные калорические эффекты).
Разделение гальванотермомагнитных и термомагнитных явлений
по первому й второму классификационным признакам приведено на
рис. 1.13.
Третий классификационный признак разделяет эффекты на четные
и нечетные по магнитному полю.
Четвертым признаком классификации служит взаимная ориента-
ция первичного вектора (j или xj, у/Т) и магнитной индукции В.
По этому признаку явления разделяются на два типа: для эффектов
P-типа указанные векторы перпендикулярны, для эффектов С-типа —
коллинеарны.
* Классификация термоградиентных термомагнитнь:х и гальванотермомаг-
нитных эффектов разработана О. Я. Лусте.
43
Пятым признаком классификации является взаимная ориентация
первичного и вторичного векторов. По этому признаку эффекты
разделяются на продольные и поперечные соответственно коллинеар-
ной или перпендикулярной взаимной ориентации этих векторов.
При классификации поверхностных калорических явлений в каче-
стве вторичного вектора используют вектор нормали к поверхности,
на которой происходит тепловыделение. Для классификации объем-
ных калорических явлений пятый признак не используется, поскольку
скалярную величину объемного тепловыделения не представляется
возможным связать с каким-либо вектором.
Рис. 1.13. Схема термомагнитных и гальванотермомагнитных явлений.
Для записи используется следующая символика эффектов. Пер-
вая буква в символе (V для вольтаических явлений, Т для термо-
градиентных, Q5 для калорических поверхностных и Qy для объем-
ных) указывает измеряемую величину, нижний индекс при этой
букве указывает первичный вектор (j для гальванотермомагнитных
эффектов и q или уТ Для термомагнитных); для четных эффектов
используется верхний индекс «+», для нечетных — верхний индекс
«—». Вторая буква (Р или С) символа указывает четвертый класси-
фикационный признак, третий знак указывает пятый признак (± для
поперечных, || для продольных явлений).
Для указания взаимной ориентации векторов, описывающих эф-
фекты P-типа, используются дополнительные обозначения Н и G,
которые стоят на последнем месге в символе эффекта и имеют сле-
дующий смысл. Буква Н означает, что вторичный вектор и вектор
магнитной индукции взаимно перпендикулярны, буква G указывает
на коллинеарность указанных векторов.
Если перед символом стоит знак А, то это значит, что речь идет
о разности между наблюдаемой величиной в магнитном поле и той
же величиной в нулевом поле.
Так, например, символ Т~Р ± Н означает термоградиентный
гальванотермомагнитный нечетный поперечный эффект P-типа, для
которого тройка векторов — первичного, вторичного и В — взаимно
перпендикулярна, т. е. эффект Эттингсгаузена.
44
2.	Вольтаические термомагнитные эффекты
Классификация вольтаических термомагнитных явлений приведена
в табл. 1.6. В самом общем случае анизотропной среды, для кото-
рой тензор а не удовлетворяет квазионзагеровскому соотношению
а/НВ) = а^(-В),	(1.113)
возможно существование 10 вольтаических термомагнитных эффек-
тов — пяти четных и пяти нечетных. Структура четной а+ (В) и не-
четной аГ (В) частей тензора термоЭДС, определяющих эти эффекты
для 32 кристаллографических классов, приведена в табл. 1.7.
Если условие (1.113) для тензора а справедливо, то нечетные
эффекты AV^P ][ (нечетный продольный эффект Нернста — Эттингс-
гаузена) и AV^C ][ (нечетная магнитотермоЭДС в продольном маг-
нитном поле) возникать не могут. Эффект AV~^P jl G [12—14] яв-
ляется термомагнитным аналогом гальваномагнитного эффекта Граб-
нера. В гиротропной среде возможны лишь три эффекта: два четных
AV*rP Д (продольный эффект Нернста — Эттингсгаузена) и AV^C Д
(изменение термоЭДС в продольном магнитном поле), а также один
нечетный эффект AV^P±H (поперечный эффект Нернста—Эттингс-
гаузена).
3.	Термоградиентные термомагнитные эффекты
В отсутствие электрического тока тепловой поток q и градиент тем-
пературы связаны законом Фурье
VT^=—Y(B)q.	(1.114)
где V — тензор теплового сопротивления, обратный тензору тепло-
проводности ♦ х. Термоградиентные явления состоят в изменении
вектора \?Т при наложении магнитного поля по сравнению с тем же
вектором в нулевом поле, т. е. описываются выражением
(В) - VT (0>= -₽ (В) q,	(1.115)
где
Р(В)^= 7(B)- 7(0).
Для тензора р справедливо соотношение
Р^(В)-Р^(-в),
вследствие чего для нечетной по магнитному полю составляющей
вектора (1.115) 0~ выполняется тождество
0~q~O.	(1.116)
Уравнение (1.116) означает, что нечетные продольные термоградиент-
ные эффекты не существуют.
Таким образом, в самом общем случае возможно существование
восьми термоградиенгных -термомагнитных эффектов (табл. 1.8).
45
S>
Таблица 1.6
Классификация вольтаических термомагнитных эффектов (ДУуТ)
Четные (-J-)					Нечетные (—)				
Эффекты P-типа (VT ± В)			Эффекты С-типа (ТГ || В)		Эффекты P-типа (уТ ± В) 1					Эффекты С-типа (VT ||B )	
Продоль- ный (SIIVD	Поперечный (ё 1 ДТ)		Продоль- ный rnivn	Попереч- ный (й ± vD	Продоль- ный (й II VT)	Поперечный (S -L vD		Продоль- ный II VO	Попереч- ный (S -L \T)
	Н (5 J. В)	G II В)				H (S ± B)	G (« II B)		
	**	**		**	* **		**	* **	**
AV^₽II	AV+Р j. Н VT	AV+ Р ± G rz	AV+C||	ду+с±	д v~ р II VT 11	AV~ P J. H vt	AV-P X G	AV7^C || vt 11	^v~ c± VT
* Отсутствует, если выполняются квазионзагеровские соотношения для тензора термоЭДС.
** Отсутствует в гиротропной среде.
Таблица 1.7
Структура тензоров а+ (В) и оГ (В) в кристаллах* [32]
Класс	^в+					
1, 7	^(Bi~	1	1 • •• • •• 1	1		<*Ti (Bi)	1	1 • •• • •• 1	1	
	<*ti (в^ =	( 1 еее • ее • ® а । ।		^Ti(Bi}-	1	1 • •• 1	1	
	«ti <Вз) =	1	1 • •• • •• • ••		аТ)(вз)~	1 1 • •• • •• 1	1	
2, т, 2/т		1	1 • • • • •• • • • 1	1		aTj {Bi) ~	• • • -• • • J	
	а^(В2)-	• • • • • •		a-Yj (Bi) =	• • • • • • • • •	
	а+- (В3) =	• • • • • •		a-Tj (Bs) =	• • • • • •	
222, mm2, ттт	4 (Bi) = afi (5г) ~	• • • • • • • • • • • • • • • • • •		a- {Bi = (Bi) —	1	11 	1 • • •	• • • • • ©	• • • 1	 1	1	
	а+ (В8) =	1	1 • • @ • • • • • • 	1		a7, (Вз) ~	1	1 • • • • • • • 1		
* Обозначения те же, что и в табл. 1.1, 1.2.
47
Продолжение табл. 1.7
Класс	0	•в+			а	‘В-		
4, 4, 4/т		" • • • • • •	• • •		*71 (В^	• • • • _• •	1	п •••	
	°Ф(В2) =	• • • ® • •	• • •		afj (Ва) —	• • • •	• • •	
	*tj (Д>) =	• •	• • •		a7i (вз) -	’к • •	• •	
422, 4mm, 42m, Щттт	4/№) = о$ (Ва) =	•; • • • • • • • •	• • е • • • • - г •		(В1) = ай (В2) ai/ (Вз) =	• • • • • • • • • • • • • •	1	—1 1	11	.1 • •• •• • •••	
3, 3	ati (5i)*= фва) =	• ••	••• • ••	••• 1	1 1	J	• • • _ •, - • _		(Вх) aij (^2) = 1	• • • • • е • • е • • • L	• •• ••• 1	J 1	1	X
	(В3) =	'к • •	• • •		а7/ (В3) =	о'<: • •	• • • 	
48
Продолжение табл. 1.7
Класс					
32д_ 3m, 3m					
	a+ (BJ = a+- (B2) =	’	’ 1	11 	1 • • •	• • c • • ф • e•	••• ее • • • • •• • •• • 1	1 1	1 1		*7/ (Bx) = aJ7 (B2) - aU (B3) =	1	II.	] 1	•	1 • •• • • • ••• • •• ••• • • •• ••• -q* 1	ii	1 1	’	l	
		— 			—.	
6, 6, 6/m	a+ (Bx) =	• • • • • •	a7i (Bi) =	1 n • a • • • •' 1	
					
	фв2) =	Г 	1 • •• •• • • • • 	1	atj (B%) ~	• • • • • 9 • • •	
					
	ati (Bs) =	2*! * CT ® • _ • • •	^7 (Вз) =	ГИ:'	
622, 6mm, 6m 2, Ъ/ттт	<si) = 4 (B2) = <*ti (Bs) =	1	1 1	1 1	1 * • • • • • • • • •	•	9 • • 1	1 1	1 1	1	a^(B1) = (B2) = aj/ (Bs) =	1	-) 1	1 г	I •о.	•••	... • • •	• • в	• • • • •• • • • 1		1 1	1	j 1	1	
49
Продолжение табл. 1.7
Класс	2в+					
9 - 23, — 3 т	a+i (BJ = а+(В2) = а^(53) =	•	II	1	'	1 • •• ••• • • « 1	1 1	1 1	1		azJ (#1) = aij (^2)	1	| '	II	1 • • • ••• • • • 1 * * * 1 L ... * 1 1 *** ।	
432, 43m, ± 3 * m т	at (Вх) = (В2) = а^ (В3) =	Г	1 |	II	1 • • • • ।	। ।	। ।	I		“7 (Bi) = а}} (В2) = а^ (В3) =	I	I г" —| Г	1 । * *	1		1	
В гиротропной среде возникают один нечетный эффект T”P_L Н
(Риги ~ Ледюка) и два четных — эффект Маджи — Риги — Ле-
дюка (Т*Р Ц ) и изменение теплопроводности в продольном магнитном
поленец).
4.	Термоградиентные гальванотермомагнитные
явления
В табл. 1.9 приведена классификация термоградиентных гальвано*
термомагнитных явлений. Как видно из таблицы, в анизотропной
среде могут существовать десять таких эффектов — пять четных
и пять нечетных, причем выполнение соотношений (1.113) для тен-
60
Т а б лица 1.8
Классификация термоградиентных термомагнитных эффектов (hTq)
Четные (+)					Нечетные (—)				
P-типа (q ± В)			С-типа (q Ц В)		P-типа (q ± В)			| С-типа (q || В)	
Продоль- ный (VT’ll q)	Поперечный (уТ X q)		Продоль- ный (уТ II q)	Попереч- ный (уТ -L q)	Продоль- ный эффект не суще- ствует	Поперечный (уТ X q)		Продоль- ный эффект не суще- ствует	Попереч- ный (уТ г q)
	Н (уТ X В)	G(yT|| В)				Н (уТ X В)	G(VT||B)		
дт+ Р II	дт+ Р ± н	ДТ+ Р ± G	дт+сц	дг+cl		АТ“ Р х Н	Д77 Р Л G		* ДТ9-С±
* В гиротропной среде не существует.
Таблица 1.9
Классификация термоградиентных гальванотермомагнитных эффектов (АТ.)
Четные (4-)					Нечетные (—)				
P-типа (j ± В)			С-типа (j || В)		P-типа (j ± В)	J			С-типа (j у В)	
Продоль- ный (уг II j)	Поперечный (уТ X j)		Продоль- ный (уТ II j)	Попереч- ный (уг X j)	Продоль- ный (v^lli)	Поперечный (уТ х j)		Продоль- ный (уТ II j)	Попереч- ный (АТ х j)
	Н (уТ х В)	G (VT||B)				Н (уТ х В)	G (VT || В)		
ДТ/PJI	* дт+ Р ± н	* дт+ Р ± G	дг+сц	* ДГ+Cj.	* Д77РН	ATJ-Px Н	* АТ“ Р х G	* Д77-СН	* ДТуС ±
В гиро тропной среде не существует.
зора а не уменьшает числа эффектов. В гиротропной среде сохра-
няются два эффекта P-типа: четный ДТГР ± Н (эффект Эттингсгау-
зена) и четный ДТу+Р Ц (эффект Нернста), а также один ' четный
эффект С-типа ДТ*С||.
5.	Калорические гальзанотермомагнитные
явления
В стационарных условиях мощность тепловыделения на единицу пло-
щади поверхности (или границы раздела) анизотропной среды, по-
мещенной в магнитное поле,
Q.s (В) = -Т’пб (aSj) + Тп 6 [Nj],	(1.117)
л о
где п — орт нормали к поверхности, а —симметрическая часть тен-
зора a, N — вектор Нернста, дуальный антисимметричной части тен-
зора термоЭДС, символ 6 означает колебание стоящей справа функ-
ции в данной точке поверхности.
Выражение (1.117) позволяет получить следующее представле-
ние поверхностных калорических эффектов:
Д^Р|| = +б(А±/)-Л
Д(2± Р ± Н = ± б (А±/) Т ± б (М±/) Т,
Д(?|Р J. G=±6(A±/)T±6(Mj/)T,	(1.118)
Д<?±С||^±б(А±/)Т,
Д<2|С ± ₽= ±б (А ±;) Т ± б (М±/) Т,
где А/;-== af;-(В) — af;-(0), М= N (В) — N (0), индексы р, k, ь обо-
ь := g- , р J_ b,
= [bp]).
В табл. (1.10) приведена классификация поверхностных калори-
ческих гальванотермомагнитных эффектов (ГТМЭ). Как видно из
таблицы, в кристаллах, где выполняются соотношения (1.113), эф-
фекты || и AQ^TC 11 не существуют. В гиротропной среде
имеют место три поверхностных эффекта:
Д(?£р II, Д<?ГР ± н, Д(?|С||.
Плотность стационарного тепловыделения в единице объема мо-
жет быть представлена в виде
Qv = —Т {Dev as : Def j + N rot j} —
— i It d* 2a- J \/T — T (Div as — rot N) j + jpsj, (1.119)
52
Таблица 1.10
Классификация поверхностных калорических гальванотермомагнитных эффектов (Qs)
'Поверхностные калорические ГТМЭ
Четные (-}-)					Нечетные (—)				
! P-типа j ± В			С-типа j || В		P-типа j ± В			С типа j [[ В	
Продоль- [ ный (п Н j)	Поперечный (п ± j)		Продоль- ный (П II j)	Попереч- ный (Л'-L j)	Продоль- ный (Л II j)	Поперечный (и ± J)		Продоль- ный (П || j)	Попереч- ный (п ± j)
	(п ± В)	(П II В)				(П ± В)	(П II В)		
Р||+	* Р ± н+	* Р ± G+	С||+	* С J.+	* ** Р1Г	Р ± н~	* Р ± G~	* ** cir	* с J.-
* В гиротропной среде отсутствует.
S ** Отсутствует при выполнении квазионзагеровских соотношений для тензора термоЭДС.
Таблица 1.11
Классификация объемных калорических
гальванотермомагнитных эффектов
Ьффект	Тип эффекта	Четность	Объемная плотность тепловыделения
Пельтье	Дивергентный	Четный	—Tj Div сс5+
		Нечетный	—Tj Div ccs“ *
	Вихревой	Четный	Tj rot N+	*
		Нечетный	Tj rot N~
Томсона	Продольный (j II ДО	Четный	
		Нечетный	. i 'p dec	* \ —] \Т~ат + 2a~)
	Поперечный (j -L VT)	Четный	r da+ -}TlrvT
		Нечетный	—i	vr
Бриджмена	Девиаторный	Четный	—T Dev	: Def j
		Нечетный	—T Dev a~ : Def j *
	Вихревой	Четный	—TN+ rot j	*
		Нечетный	—TN' rot j
* В гиротропной среде и кристаллах, где выполняются квазионзагеровские
соотношения для тензора термоЭДС, не существует.
64
где а — нечетная по В часть тензора a, ps — симметричная (всегда
четная по В) часть тензора электросопротивления; Deva5, Def j,
Div а имеют компоненты:
(Dev as) a	—5- Sp as,
lj J O
1 [dji djA
(Def j)z/ = у \d.Xj + dXlj >
- da?.
В табл. 1.11 приведена основанная на анализе выражения (1.119)
классификация объемных калорических гальванотермомагнитных эф-
фектов.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Анатичук Л. /., Л у спи О. Я- Ан1зотроп1я термоерс CdSb. — УФЖ, 1966, 11,
№ 9, с. 971—977.
2.	Анатычук Л. И., Искра В. Д., Лусте О. Я. Исследование валентной зоны
CdSb измерениями поперечной термоэдс.— ФТП, 1968, 2, № И, с. 1593—1597.
3.	Анатычук Л. И., Выграненко Ю В., Лусте О. ЯПинчук И. И. Распре-
деление потенциалов в однородном изотропном полупроводнике при большом
градиенте температуры.— ФТП, 1972, 6, № 5, с. 981—983.
4.	Ансельм А. И. Введение в теорию полупроводников.— М.; Л.1 Физматгиз,
1962.—418 о.
5.	Аскеров Б. М. Кинетические эффекты в полупроводниках.—Л.: Наука,
1970.—303 с.
6.	Бабичев Г. Г., Жадько И. П., Романов В. А. Поперечный эффект Пельтье
в полупроводниках с биполярной анизотропной электропроводностью.— ФТП,
1975, 9, № 8, с. 1523—1528.
7.	Баранский П. И. Объемный эффект Пельтье в германии.— ЖТФ, 1958, 28,
№ 2, с. 225—230
8.	Баранский П И., Коноплясова Н. С. Изучение объем ю-градиентной термо-
эдс и теплопроводности в монокристаллах германия известной кристал-
лографической ооиентации.— ЖТФ, 1958, 28, № 8, с. 1621—1630.
9.	Баранский П. И. Объемно-градиентный эффект Томсона.— ФТТ, I960, 2, N2 3,
с. 445—457
10.	Баранский П. И., Курило П. Af. Зависимость объемного эффекта Пельтье
от градиентов удельного сопротивления.— ФТТ; 1960, 2, № 3, с. 458—462.
11.	Баранский П. И., Буда И С., Коломоец В. В., Самойлович А. Г., Сусь В. А.
Исследование анизотропии эффекта увлечения электронов фононами в n-Ge.—
ФТП, 1974, 8, № 11, с. 2159—2163.
12.	Баранский П. И., Буда И. С., Коломоец В. В. и др. Пьезотермомагнитный
аналог эффекта Грабяера в n-Ge.— ФТП, 1976, 10, № 1, с. 172—174.
13.	Баранский П. И. и др. Электрические и гальваномагнитные явления в анизо-
тропных полупроводниках. /П. И. Баранский, И. С. Буда, И. В. Даховский,
В. В. Коломоец.— Киев: Наук, думка, 1977.—270 с.
14.	Буда И. С. Продольный термомагнитный эффект в n-Ge.— ФТП, 1969, 3, № 5,
с. 767—769.
15.	Вейнгвр А. И., Крамер Н. И., Парицкий Л. Г., Абдинов А. Ш. Возникно-
вение термоэдс в однородном полупроводнике (явление Бенедикса) при разо-
греве носителей тока СВЧ полем в германии.— ФТП, 1972, 6, № 5, с. 915—920.
16.	Вонсовский С. В. Магнетизм: Магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, анти-
ферро- и ферримагнетиков — Мл Наука, 1971.—1032 с.
17.	Кайданов В. И., Целищев В. А., Усов А. П. и др. Анизотропия кинетичес-
ких коэффициентов в дисилициде хрома. — ФТП, 1970, 4, № 7, с. 1338—1345.
18.	Лусте О. Я., Пейсах Л. И. К вопросу о классификации калорических
гальванотермомагнитных явлений.— УФЖ, 1978, 23, № 9, с. 1553—1556.
19.	Най Дж. Физические свойства кристаллов и их описание при помощи
тензоров и матриц.-™ М.| Мир, 1967.—385 с.
55
20.	Осипов Э. В. Твердотельная криогеника.» Киев! Наук, думка, 1977.—234 с.
21.	Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов.—М.*:
Изд-во иностр, лит., 1960.—127 с.
22.	Самойлович А Г. Термодинамика и статистическая физика.—М.; Гостехиздат
1955.—368 с.
23.	Самойлович А. Г , Коренблит И, Я., Даховский И. В., Искра В. д.
Анизотропное рассеяние электронов на ионизированных примесях и акусти-
ческих фононах.—ФТТ, 1961, 3, № 11, с. 3285—3298.
24.	Самойлович А. Г., Ницович В. М., Ницович М. В. К вопросу об анизотро-
пии пьезотермоэдс в кремнии и германии.— УФЖ. 1967,	12, № 7,
с. 1214—1216.
25.	Самойлович А. Г., Буда И. С. Влияние упругих деформаций на термоэдс
n-Ge в области эффекта увлечения.— ФТП, 1969, 3, № 3, с. 400—408.
26.	Самойлович А. Г., Буда И. С., Даховский И. В. Теория анизотропного
рассеяния.—ФТП, 1973, 7, № 4, с. 859.
27.	Тауц V- Фото- и термоэлектрические явления в полупроводниках.— М. j
Изд-во иностр, лит., 1962.—253 с.
28.	Цидилъковский И. М. Термомагнитные явления в полупроводниках.— М. j
Физматгиз, I960.—396 с.
29.	Штенбек М., Баранский П. И. Исследование эффекта Пельтье и термо-
электродвижущих сил в германии.—ЖТФ, 1956, 26, № 3, с. 683—685.
30.	Штенбек Af., Баранский П. И. Методы прецизионного измерения эффекта
Пельтье и термоэлектродвижущих сил.—ЖТФ, 1956, 26, № 7, с. 1373—1388.
31.	Штенбек М., Баранский П. И. Экспериментальное изучение взаимосвязи
эффекта Пельтье и термоэлектродвижущих сил в германии.—ЖТФ, 1957,
27, № 2, с. 233—237.
32.	Akgoz У. C.i Saunders G> A. Space-time symmetry restrictions on the form
of transport tensors; 2. Thermomagnetic effects.— J. Phys. C: Solid State
Phys., 1975, 8, N 18, p. 2962—2970.
33.	Baranskii P. I., Buda I. S., Kolomoets V. V.f Suss B. A. Piezothermoelec-
tromotive force of elastically deformed n-Ge in [111] direction considering the
phonon-drag effect.— Phys, status ^olidi (a), 1975, 27, N 1, S. КЮЗ—КЮ8.
34.	Baranskii P. /,, Buda I. S., Dakhovskii I. V., Samoilovich A. G. Galvano-
thermomagnetic effects in anisotropic media. — Phys, status soli di (b), 1975,
67, N 1, S. 291—299.
35.	Bulat L. P. The phonon-drag in wurtzite-type semiconductors. — Phys, status
solidi (b), 1973, 60, N 1, S 451—459.
36.	Domenicali C. Irreversible thermodynamics of thermoelectricity. — Rev. Mod.
Phys., 1954, 26, N 2, p. 237—275.
37.	Cohen M. H Energy bands in the bismuth structure. 1. A Nonel lipsoidal
model for electrons in Bi.— Phys. Rev., 1961, 121, N 2, p. 387—395.
38	Samoilovich A. G., Nitsovich M. У., Nitsovich V. M. On the theory of anisotropic
thermoelectric power in semiconductors.—.Phys status solidi, 1966, 16, N 2»
S. 459—465.
39.	Samoilovich A. G., Buda I. S., Dakhovskii I. V, Anisotropy of thermomagne-
tic effects in n-Ge.—Phys, status solidi, 1967, 23, N 1, S 229—236.
40.	Seeger K. Semiconductor physics.—Wien; New York : Springer, 1973,— 514 p.
41.	Tauc J. Electronic phenomena in semiconductors with a temperature gradient.—
Czech. J Phys., 1956, 6, N 2, p. 108—123
42.	Trousil Z. Proof of the anomalous thermal EMF on germanium. — Czech.
J. Phys., 1956, 6, N 2, p. 170—172.
Глава II. СРЕДЫ И ВОЗДЕЙСТВИЯ, ПРИВОДЯЩИЕ
К ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОМУ
ПРЕОБРАЗОВАНИЮ. ВИХРЕВЫЕ ТОКИ
§ 1. Общие условия возникновения
термоэлектрического тока
Возникновение замкнутых электрических токов в неизотермиче-
ской проводящей среде получило название эффекта вихревых термо-
электрических токов. Для термоэлектрической цепи из разнородных
проводников этот эффект был обнаружен Зеебеком [19]’, однако лишь
в последние годы в полной мере были выяснены многообразные ус-
ловия возникновения и закономерности протекания вихревых термо-
электрических токов в твердых телах [14].
Плотность стационарных вихревых термоэлектрических токов
в общем случае анизотропной и неоднородной среды, характеризуе-
мой тензорами электропроводности и термоЭДС а^, описывается
обобщенным законом Ома, который следует из термодинамики необ-
ратимых процессов [24]:
(п.1)
Условие возникновения вихревых термоэлектрических токов яв-
ляется определяющим при рассмотрении моделей преобразователей
тепловой энергии в электрическую в твердом теле. Действительно,
любой термоэлектрический преобразователь энергии в нагруженном
состоянии (рис. II. 1) можно представить в виде некоторой электри-
чески изолированной области V, в которой протекающие тепловые
потоки возбуждают замкнутый термоэлектрический ток (рис. II.2).
Необходимым условием возникновения вихревого термоэлектри-
ческого тока является вихревой характер термоэлектрического поля
хотя бы в одной точке замкнутой области V:
roU*(r) =£0, г $ V.	(II.2)
Если вектор в* в точке г терпит разрыв, то условие (II.2) следует
писать в виде
Rot (Г (г)	0.	(П.З)
Условия (II.2), (П.З) были сформулированы в работах [25, 32, 34].
Необходимо отметить, что если для среды с однородной и изотроп-
ной электропроводностью эти условия формулируются тривиальным
образом, поскольку векторы rot j и rot отличаются лишь постоян-
ным множителем, то в случае среды с анизотропной и неоднородной
электропроводностью обоснование условий (II.2) или (П.З) значи-
57
тельно усложняется. Строгий вывод этих условий может быть дан
на основе теоремы единственности решения краевой задачи
-	dW I
ап~~ О,	(П.4)
dv |г
где оператор
Рис. IL 1. Модели нагруженных термоэлементов:
/ — термоэлемент Юсти; 2 — термопара; 3 —термоэлемент
Нернста —Эттингсгаузена
rtk — направляющие косинусы нормали к поверхности Г, ограничи-
вающей область V, означает дифференцирование по конормали с
направляющими косинусами^/ ?= а~}в1тпт, Т — дважды дифференци-
руемая функция. Из (1.11) и (П.2) следует, что для осуществления
термоэлектрического преобразования необходимо удовлетворить тре-
бованию
/\	I	и
RiT (г) = Wz«zm
, о . 1да-1т\	д
+	г.„Л +
Т ^iki
д д |
dxk дхт j
Т (г) ¥= 0,
(П.5)
г $ V, i~ 1, 2, 3.
58
чоле, возникающее в ре-
VTJO rotjtO
Рис. II.2. Обобщенная мо-
дель нагруженного термо-
элемента.
Если компоненты тензора aim 6 точке г терпят разрыв с коле-
банием Аа/т, то операторы Ri имеют вид
*	д
где rik — направляющие косинусы нормали к поверхности разрыва aim.
Условие (II.5) охватывает все возможные варианты возникновения
вихревого термоэлектрического поля. Первое слагаемое в л^вой час-
ти описывает вихревое термоэлектрическое
зулътате анизотропии термоЭДС, вто-
рое слагаемое обусловлено неоднород-
ностью коэффициента Зеебека, тре-
тье — анизотропией коэффициента
Томсона, т. е. различием температур-
ной зависимости термоЭДС в разных
кристаллографических направлениях.
Таким образом, необходимое тре-
бование к среде для возникновения
вихревого термоэлектрического тока
и осуществления термоэлектрического
преобразования энергии состоит в том,
чтобы термоэлектрическая среда об-
ладала либо неоднородностью, либо
анизотропией коэффициента термоЭДС.
Из условия (II.5) следует также, что
любые распределения температур в
среде можно разделить на два класса:
активные температурные поля, описы-
ваемые функциями Та (г) и удовлетво-
ряющие условию (И.5), и пассивные,
функции Т (г) являются решениями
Л,тр(г) = о.
Из условия (II.5) можно сделать следующие выводы:
1.	В однородной изотропной среде любое распределение темпе-
ратуры является пассивным, вихревые термоэлектрические токи не
возникают и термоэлектрическое преобразование энергии невозмож-
но. Однако наложением внешних воздействий (деформирующее уси-
лие, магнитное поле, звуковой поток) такую среду можно перевести
в состояние с анизотропной или неоднородной термоЭДС, что может
привести к возникновению вихревого термоэлектрического тока.
Вихревые термоэлектрические токи в деформированных кристал-
лах были обнаружены экспериментально [5], где этот эффект был
использован для исследования пьезотермоЭДС n-Ge. В работах [18,21]
описан деформационный термомагнитный эффект, обусловленный вих-
ревыми термоэлектрическими токами.
В работе [17] указано на возможность существования вихревого
термоэлектрического тока в однородной изотропной среде, помещен-
ной в магнитное поле. Активными в этом случае являются такие
распределения температур, при которых градиент температуры не
совпадает по направлению с вектором напряженности магнитного
поля. В той же работе показано, что к аналогичным качественным
результатам приводит замена магнитного поля наложением потока
для которых соответствующие
системы уравнений
(П.6)
59
звуковых волн (вихревые термоэлектрические токи в акустоэлектри-
ческсм эффекте).
Существует еще одна возможность возникновения вихревых
термоэлектрических токов в однородной изотропной среде — за счет
неоднородности по термоЭДС, создаваемой большими градиентами
температуры [11].
2.	В однородной среде с анизотропной термоЭДС активные тепло-
вые поля характеризуются градиентом температуры, не совпадающим
по направлению с главными кристаллографическими осями. В такой
среде, находящейся при неизбтермических условиях, появляется вих-
ревая составляющая термоэлектрического поля, которая не можег
быть скомпенсирована электрическим полем и вызывает протекание
вихревого термоэлектрического тока.
Расчет стационарных вихревых термоэлектрических токов в ани-
зотропной среде весьма сложен даже в том случае, когда среда од-
нородна, а ее параметры не зависят от температуры. Вычисления
приводят к системе связанных эллиптических уравнений для потен-
циала и температуры с соответствующими граничными условиями.
Однако, как показано в [34], для известных в настоящее время
кристаллов, обладающих анизотропией термоЭДС, расйределение тем-
ператур достаточно точно определяется одной теплопроводностью, а
влияние эффектов Джоуля, Бриджмена и Томсона, возникающих
при протекании вихревых термоэлектрических токов, незначительно.
В этом случае распределение температур, определяется из граничной
задачи для уравнения теплопроводности, не имеющего членов, содер-
жащих плотность тока.
Поскольку в стационарных условиях векторное поле вихревого
термоэлектрического тока не имеет источников, для его определения
можно ввести векторный потенциал [34]
f^rotH*,	(П.7)
который при калибровке
div Н* — О
приобретает смысл напряженности магнитного поля, вихревого терме*
электрического тока. В том случае, когда распределение температур
/дТ	-	U*
двумерное I — ^=01 , в однородной среде вектор Н содержит лишь
одну z-компоненту, значение которой определяет Интегральное зна-
чение вихревого термоэлектрического тока, протекающего между
границей области и точкой х, у. Линии Н* (%, у)~ const являются
линиями тока. Расчет вихревого термоэлектрического тока в этом
случае сводится к решению уравнения Пуассона для функции Н*
с нулевыми граничными условиями.
Плотность вихревых термоэлектрических токов в однородной
анизотропной среде может достигать больших значений — до
2,4 Щ™2, — при градиенте температур 50 К/см для такого материала
с относительно небольшой анизотропией термоЭДС, как Bi. Указан-
ное значение плотности вихревого термоэлектрического тока дает
оценка, проведенная на основе расчетов вихревых термоэлектриче-
ских токов [25, 34] в пластине, имеющей форму круговой шайбы,
внешняя и внутренняя окружности которой поддерживаются при
разных температурах: То, А (рис. П.З). В каждом квадранте плас-
тины возникает система вихревых термоэлектрических токов, цирку-
60
лирующих вокруг нулевой точки, расположенной на биссектрисе
координатного угла. При внешнем радиусе пластины, стремящемся
к бесконечности, и внутреннем, стремящемся к нулю, решение такой
задачи позволяет найти значение и конфигурацию вихревых термо-
электрических токов для температурных полей, содержащих точеч-
ные источники и стоки тепла. Распределения вихревого термоэлек-
трического тока для одного из этих случаев представлены на рис. II.4.
Магнитный момент вихревого термоэлектрического тока по порядку
величины близок к диамагнитному моменту вещества в полях сред-
ней напряженности.
Рис. П.З. Вихревой ток в квадранте монокристаллической
шайбы с анизотропной термоЭДС.
Рис. II.4. Распределение вихревого тока в неограниченной
анизотропной пластине, с источником тепла в точке х, у = О
(приведены значения токовой функции Н*) [34].
3.	В изотропных неоднородных средах вихревые термоэлектри-
ческие токи возникают в том случае, когда градиент температуры
не совпадает с направлением изменения коэффициента термоЭДС или —
в случае зонально-неоднородной двухслойной среды — с направлением
нормали к поверхности, на которой коэффициент термоЭДС терпит
разрыв.
Примером вихревого термоэлектрического тока в зонально-неод-
нородной среде может служить рассмотренное в работе [32] возник-
новение тока на плоской поверхности контакта двух однородных
материалов. Неизотермичность контакта приводит к замкнутым термо-
электрическим токам, пересекающим поверхность раздела материалов.
При постоянном градиенте температуры уТ в неограниченной двух-
слойной полосе вихревой термоэлектрический ток не пересекает кон-
такт и замыкается на бесконечности, протекая внутри слоев в про-
тивоположных направлениях (рис. II.5). Плотность тока в такой
системе для случая уТ ;= const определяется соотношениями
_ ^Т(аА-ав) _	уТ(аА-ав) .
'Ах Ра + РВ1А/1В’ !вх~ РВ+Ра‘а/1в '	}
где индексы А и В относятся к материалам слоев А и В; р и I —
соответственно удельное сопротивление и толщина слоя.
61
Напряжения, возникающие на поверхности такой полосы между
точками, находящимися на изотермах Т\ и Т2,
(П.9)
Ра1 в * ?в!а
Рис. II.5. Распределение вихревого термоэлектрического
тока в биметаллических лентах:
= const, ~ = О (а);	* const, = 0 (б) [32].
dx	dy	dx	dy
Отношения этих выражений
$в1А
зависят только от толщины слоев и удельных сопротивлений мате-
риалов. Таким образом, измерение напряжений, вызванных вихре-
выми термоэлектрическими токами, позволяет определить толщину
слоев и удельное сопротивление в биметаллических лентах и плас-
тинах, а также в термопарах с гальваническими покрытиями [32].
Искажения термоЭДС вихревыми токами в полупроводниковых плен-
ках исследованы в работах [26, 27].
Протекание вихревого термоэлектрического тока в неоднородной
среде приводит к возникновению поперечной по отношению к гра-
диенту температуры разности потенциалов, значение которой
между точками 1 и 2, расположенными на одной изотерме LTy опре-
деляется тангенциальной составляющей вектора плотности вихревого
термоэлектрического тока вдоль линии LT :
2
— j jtdLT .	(НЛО)
1
62
Таблица II.1
Термоэлектрические среды и внешние воздействия, приводящие
к преобразованию тепловой энергии в электрическую
Свойства среды
Внешние воздей- ствия	ь	nT а& 'о'	о	<м ah '5х	o'1	о	tT*	t>~*	<м aS * гГ	aS о	•XkJ о4	о	N4 О	ч сГ		ч аь
		а	ьГ aS * s'	6? aS s'	s	•йе сГ	сГ	5	е	S*	"n aS	'n' сГ	N сГ	*6	сГ	ah сГ
ДТ	0	0	+	*	0	+	*	0			+					
ДТ, н	*	+ '	' +	*			+	+	+	+						
\Т, Р	+						+									
\Т, Е				*												
ЬТ, Н, Р	+															
Н, Е						—										
ДТ, Н, Р, Е																
V'T	+															
‘ Обозначения:
О — преобразование невозможно, ----исследуется, * — используется, ДТ — воздействие, приводящее к перепаду темпера-
туры в среде, Н — магнитное поле, Р — одноосная деформация, Е — электрическое поле, у'Т — условия большого градиента тем-
пературы, а, а — однородные и изотропные электропроводность и термоЭДС, а^,	— однородные и анизотропные электропро-
водность и термоЭДС, а (x,r/,z), а (x,y,z) — неоднородные и изотропные электропроводность и термоЭДС, (x,#,z),	(х, у, z) —•
eg неоднородные и анизотропные электропроводность и термоЭДС.
Изучение характера зависимостей Е± от параметров неоднородного
материала, структуры границы раздела и геометрии образцов [?—9,
И] позволило разработать метод локализации вихревого термоэлек-
трического тока в малых объемах, приводящий к существенному
возрастанию Е±. Результатом этих исследований явился метод конт-
роля качества полупроводниковых пленок [12], основанный на из-
мерении поперечных разностей потенциалов, возникающих при про-
текании вихревого термоэлектрического тока.
Вихревые термоэлектрические токи в неоднородных средах ухуд-
шают параметры термоэлектрических приборов [36]. Протекание вих-
ревых термоэлектрических токов приводит к возникновению допол-
нительных потоков тепла Пельтье, увеличивающих эффективную
теплопроводность материала, что наряду с уменьшением эффектив-
ного коэффициента термоЭДС приводит к снижению КПД термо-
электрических устройств [1, 2, 10, 15, 20, 31].
4.	Анизотропия и неоднородность среды по электропроводности
не могут вызвать вихревой термоэлектрический ток, тем не менее
они весьма сильно влияют на его значение и распределение, а в не-
которых случаях приводят к исчезновению вихревого термоэлектри-
ческого тока даже при выполнении условий (II.2), (П.З). С другой
стороны, в неоднородных средах с изотропным коэффициентом,а эти
факторы приводят к существенному возрастанию поперечных
ЭДС и могут быть использованы для наращивания термоэлектриче-
ского напряжения в короткозамкнутых термоэлементах [8,9,13].
Сформулированные требования использованы в качестве исходных
как для описания известных термоэлементов, так и для изыскания
их новых вариантов. С учетом изложенных ограничений в табл. II.1
сведены различные варианты свойств среды и внешних воздействий,
при которых может иметь место термоэлектрическое преобразование.
В таблице выделены те случаи, которые в настоящее время частично
исследованы или используются в практике. Таблица показывает, что
из 128 вариантов термоэлектрического преобразования на практике
применяются только 5, исследуются 18. Однако это не свидетель-
ствует о бесперспективности их изучения или об отсутствии возмож-
ностей практического использования. Наоборот, анализ этих вариан-
тов показывает, что дальнейший прогресс в области термоэлектри-
чества, несомненно, связан как с применением более сложных сред,
так и с комплексным воздействием на вещество различных факторов:
давления, большого градиента температуры, электрического поля и др.
§ 2. Применение вихревых
термоэлектрических токов
для описания термоэлементов
Условия возникновения вихревых термоэлектрических токов позво-
ляют с единой позиции описать известные варианты термоэлектрических
преобразователей. Действительно, любой термопреобразователь в ре-
жиме короткого -замыкания можно рассмотреть как некоторую
выделенную в неоднородной или анизотропной среде область, внутри
которой протекают вихревые термоэлектрические токи. Например,
рассчитанное в работе [32] распределение токов и потенциалов в не-
ограниченной двухслойной пластине с постоянным продольным ipa-
64
диентом температуры тождественно распределению токов и потен-
циалов в короткозамкнутой термопаре, для которой расчет плотности
тока в ветвях А и В дает те же выражения (П.8). В качестве дру-
гого примера может быть взята плоская анизотропная область с тен-
зором термоЭДС
°
ауу\
находящаяся в температурном поле
Г (л:, у)
„ . л l У________________л
sign*,— — < arctg ,
уТу sign у, — < arctg -7 < Т •
Л
(П-11)
Если в этой области выделить квадратную рамку, центр которой
совпадает с началом координат (рамка JI у коша [34]), то, как пока-
зано в работе [6], распределение токов и потенциалов в рамке экви-
валентно распределению токов и потенциалов в короткозамкнутом
термоэлементе Юсти [33].
Каждому из известных типов термоэлементов можно поставить
в соответствие определенную картину вихревых термоэлектрических
токов в анизотропной или неоднородной среде. Как показано в ра-
боте [4], для случая плоской двусвязной области И, обтекаемой вих-
ревым термоэлектрическим током, справедливо и обратное — любой
картине вихревого термоэлектрического тока можно поставить в со-
ответствие определенный вариант термоэлемента. Для этого в области
необходимо сделать разрез вдоль линии L (рис. II.6), на обе стороны
разреза положить электрические контакты, посредством которых от-
вести вихревые термоэлектрические токи во внешнюю нагрузку R.
Максимальное значение отводимого тока достигается в том случае,
когда в качестве L выбрана эквипотенциальная линия, совпадающая
с изотермой. Полученная таким образом система представляет собой
преобразователь тепловой энергии в электрическую.
Разнообразие векторных полей вихревых 'термоэлектрических
токов в анизотропных и неоднородных средах порождает множество
вариантов термоэлементов и открывает широкие перспективы для на-
хождения их оптимальных конструкций. При этом известные термо-
элементы (термопара, анизотропный термоэлемент) [23], слоистый
[29], Юсти [33] и т. д.) являются частными случаями такого рас-
смотрения. Математически задача получения вихревых термоэлектри-
ческих токов заданной конфигурации может быть сформулирована
следующим образом: необходимо найти распределение температур
Т (г), обеспечивающее возникновение в электрически изолированном
объеме V ограниченном поверхностью Г, наперед заданного рас-
пределения вихревых термоэлектрических токов
j (г) ₽ jo (г) при div JO=0, /° |г ы 0.	(11.12)
Анализ такой «обращенной» задачи термоэлектричества показывает,
что она имеет решение при выполнении условия
д
^ikl almPmsis &	(11.13)
где а/т — компонента тензора, обратного тензору а.
3 9-413
65
Решение имеет вид
3 Xi
T(r)^-£ J «zmpms/>z
/=1 о
(П.14)
и является единственным с точностью до произвольного пассивного
распределения температур.
Примером решения обращенной задачи может служить нахожде-
ние условий возбуждения круговых вихревых термоэлектрических
токов [3, 4]. Для однородной анизотропной среды в круглом плос-

Рис. II.6. Способ отведения вихревого термоэлектрического
тока во внешнюю электрическую цепь.
Рис. II.7. Круговые вихревые термоэлектрические токи в кри-
сталлической пластине с анизотропной термоЭДС:
/ —- линии тока в образце; 2 — линии равного потенциала (изотермы сов-
падают с эквипотенциальными линиями).
ком образце радиуса 7?0 (рис. П.7) необходимо обеспечить следующее
распределение температур:
ДТ* Г	2х22-^9 —	-j-	(^22 — ^11)
т (ХЪХ2) = U Wos 2Ф +~ 2 ТЛ----------------------------------------- -
Ад |_	(^22 г ^11/
(11.15)
где TQ — температура центра-образца, ДТ — максимальная разность
температур, ф — угол между кристаллографической осью и линией,
соединяющей экстремальные точки равной температуры. Плотность
азимутальной компоненты тока дается выражением
~ в2,°11<ТГ----< ДГ (“И — а22> 2COS 2*Р-	(П-16)
? N)(alX +
Для неоднородной изотропной среды с коэффициентами термоЭДС
и электропроводности, зависящими от координаты,
a(x1) = B + D^> а^Дехр/-^, (11.17)
66
искомое температурное поле
Т(хь	ГЗ + 2
(П.18)
где Л, В, С, D, G — постоянные. Интегральная величина круговых
вихревых термоэлектрических токов
, _ ДГ h DA e~R°/G cos ф*	(П 19)
1 ~ 4 ° CG sin <p [/?0/G + 2] ’	’ '
где /?0 —радиус образца, 6 —его толщина, ф* — корень уравнения
п	2^2
~ cos 2ф* + 2 cos ф* — sin? ф* cos ф* + 2 ~ sin? ф* s= 0.
(11.20)
Круговые вихревые термоэлектрические токи могут быть созданы
и в однородной среде помещенной в магнитном поле. Рассчитанное
из (11.14) распределение температур в этом случае имеет вид
Т(х) = Т0-^-х\	(U.21)
где cs — компонента симметричной части тензора электропровод-
ности, аа — компонента антисимметричной части тензора термоЭДС,
С — постоянная. Интегральный ток в плоском образце толщиной Ь
определяется из формулы
I — 2osaabkT.	(11.22)
Изложенное демонстрирует возможности возбуждения вихревых
термоэлектрических токов наперед заданной конфигурации. Для
сложных распределений вихревых термоэлектрических токов «обра-
щенная» задача термоэлектричества может быть решена машинными
методами или методом электроаналогий, который путем преобразо-
вания граничных условий позволяет свести расчеты вихревых термо-
электрических токов к определейию потенциалов и токов в изотер-
мической среде [7]. Метод вихревого тока позволил разработать
новые варианты* термоэлементов, обладающие рядом преимуществ
перед известными.
§ 3. Влияние вихревых токов на свойства
тер оэлектрических материалов
Технологические особенности получения термоэлектрических мате-
риалов во многих случаях приводят к возникновению различного
рода неоднородностей Большинство из них связано с неравномерным
распределением составов твердых растворов, неравномерным распре-
делением концентрации примеси, разориентацией зерен в прессован-
ных поликристяллических веществах.
В неизотермических условиях неоднородности являются причи-
ной возникновения вихревых термоэлектрических токов, как правило,
з*	67
ухудшающих свойства термоэлектрического материала. Внутренняя
термоЭДС, возникающая при протекании вихревого тока, создает
падение напряжения, снижающее термоЭДС материалов; эффект
Пельтье на границах микронеоднородностей приводит к возникнове-
нию дополнительных тепловых потоков, увеличивающих эффектив-
ную теплопроводность. Дополнительные потоки вызывает и тепло
Джоуля, возникающее при протекании вихревых токов. В целом на
возбуждение вихревых токов дополнительно расходуется энергия,
что приводит к снижению добротности материала.
Рис. II.8. Модель для расчета термоэлектрических
свойств статистической смеси частиц:
1 — частица шарообразной формы; 2 — окружающая части-
цу смесь частиц. Тепловой поток вдоль х.
Рис. П.9. Модель для расчета термоэлектрических
свойств двухфазной чередующейся слоистой си-
стемы. Тепловой поток вдоль границ раздела
сред /, 2.
Электрический ток, протекающий через неоднородный термо-
электрический материал, вызывает эффект Пельтье на границах не-
однородностей, в объеме возникают дополнительные перепады тем-
пературы, что в свою очередь возбуждает термоЭДС и вихревые
токи, также снижающие эффективность термоэлектрических устройств
[1, 2, 15, 16, 20, 22, 28, 30, 31, 35].
Расчет влияния вихревых токов на свойства термоэлектрических
материалов проведен для двух основных моделей: модели статисти-
ческой неоднородности (рис. П.8) и модели слоистой неоднородности
(рис. П.9). По первой модели [1,2] методом Оделевского [22] по-
лучены выражения для термоэлектрических параметров вещества,
состоящего из смеси i фаз с концентрациями
k
______3nNt_______
(2o + 07) (2x 4- xp
a s= —------1------------------ ,	(П.23)
(2a + a,) (2x 4-Xf)
/*=1
68
k
n2(gf-g)^
L (l+2a/o()	6
(11.24)
где О', а, х — электропроводность, термоЭДС^ и теплопроводность
смеси, 07, ау, Xf — свойства r-й фазы, Дхп — приращение теплопро-
водности за счет тепла Пельтье.
В слоистой системе (см. рис. II.9) возникновение вихревого тока,
текущего вдоль границы раздела сред, также приводит к ухудше-
нию свойств материала. В невырожденном полупроводнике со сфе-
рическими изоэнергетическими поверхностями для области примесной
проводимости уменьшение термоЭДС из-за действия вихревых токов
[15, 16, 28] определяется выражением
Ге	1	ut	3 т*'
Да,- ;= (at — а2) th — (ау — а2) Н-In-1--*
!Л	2	и2	4 т2_
Г е	3
ch — а2) + т1п-* ,
_«о	4 m2JJ
2-1
,*"h
,	(П.25)
2-Р
t Г/ * *\3/4
kQ \[тхтДуг
----In —-
е ' \тодн /
где а, и, /и* — термоЭДС, подвижность и эффективная масса носи-
телей тока (индексы 1, 2 соответствуют обозначениям на рис. II.9),
/кодн эффективная масса в однородном веществе. Для сравнения
выбирается однородное вещество с усредненными по концентрации
носителей тока параметрами а0, о,0. Изменение термоЭДС, получен-
ное в (15] методом, приведенным в работе [35],
1
— jr0— Г ~ In
е (
(е
Ch -Дйср+Дг +
* шо /
*\ 1 \	/	О	*	1	\
тх \	[ е	3 пи 1 иД
+ Aacpth 7~ Даср + дг + — In -4 + — In — ,
'	\^о	4	/?12	2 u2j
(11.26)
где г0 — параметр рассеяния однородного вещества, Дг ?= гх — г2,
21_1
аэ==аср-Да^----,
Z1 + 1-
_____	4~ а2
аср —	2 f
Увеличение теплопроводности, вызванное эффектом Пельтье,
Дхп^2(ст"~а^2-- ,	(11.27)
О1+
69
а вызванное теплом Джоуля —
В целом
Ли _(a2-ai)2AT
Л Д-------1	1
o~i + Ъ
Axs =	(2Г + АГ).
- + -
ai
(11.28)
(11.29)
Более общие соотношения для нахождения эффективных значе-
ний термоэлектрических параметров разных типов неоднородностей
получены в [20] методом, приведенным в работе [31]:
хэф = <х> 1 -
а А _ (а} h _ 1	_ 1 -Z'T	нт ™
стэф — W]1 з	(тт)2	3Z/	(a)? J • (IT-30)
3	(x)2	+ 3 Z 1	(a)2	1 ’ (L '
S[2 pft 1 a J
a-*L3 (p>+ 3 (a)2] ’
(11.32)
где ( ) соответствует усреднению по объему термоэлектрических
параметров, ((<7 —(о))2), ((а —(а))2), ((х — (х))2) — средние квад-
ратичные отклонения электропроводности, термоЭДС, теплопровод-
(а)2 (о)
ности, Z	" 5 а Pfe — коэффициенты разложения TepMO-
X^Z
ЭДС и удельного сопротивления в трехмерный ряд Фурье в рас-
сматриваемом объеме.
Для однородного твердого раствора с неравномерным распреде-
лением концентрации носителей [16] соотношения (П.30) — (11.32)
для случая примесной проводимости записываются в виде обобщен-
ной формулы
4Ф = Л((п))[1+/-^?],	(И.зз)
которая связывает эффективные значения величины ЛЭф(а, о, х, Z')
со значениями А ((п)), соответствующими усредненной концентра-
ции носителей тока (п), и со средним квадратичным отклонением
концентрации носителей (6л)2 Значения g приведены в табл. II.2.
Экспериментальная проверка формулы (II 23) проведена в ра-
боте [1] на примере двухкомпоненгной смеси РЬТе Влияние вихре-
вых токов на добротность слоистых материалов наблюдалось и в тер-
моэлектрических сплавах на основе В12Те3 [15, 16, 30] Увеличение
скорости роста при выращивании монокристаллов, приводившее
к образованию слоистой неоднородности, снижало гермоЭДС на 5%,
а с учетом разориентации зерен уменьшало добротность материала
на 15%.
70
Т а бл и ца П.2
Значения g для а, ст, х и Z' разных типов неоднародности [/6]
Характеристика среды	ТермоЭДС а	Электропроводность а	Теплопроводность х	Добротность Z'
Изотропная статистика флуктуаций		1 feo/e 6 <а>	1 1 (k«'ew 3	3 \(а)у х XZ'T	IN <N	 'cl Й сч [со	1	1 &0/е	lkn!e\ 3	3 (а)	[(a)]
'Продольная слоистая структура	1 k^e 2 <«>	0	(k0/e\ -	(а>\	<«>/
Поперечная слоистая структура	1' k0/e 2 (а)	\<а>/	0	-1 (а>	\(а)/
ЛИТЕРАТУРА
I.	Айрапетянц С. В Термоэлектродвижущая сила и добавочная теплопровод-
ность статистической смеси.— ЖТФ, 1957, 27, Я8 3, с. 478—483.
2.	Айрапетянц С. В. Термоэлектрические свойства гетерогенных систем на ос-
нове теллурида сурьмы и висмута: Автореф. дис. канд. техн, наук.— Л.,
I960.— 14 с.
3.	Анатычук Л. И., Лусте О. Л- Вихревые термоэлектрические токи в CdSb.—
ФТТ, 1966, 8, № 8, с. 2492—2494.
4.	Анатичук Л. /., Лусте О. Д. Досл1дження замкнених термоелектричних
струм1в в ан!зотропних середовищах.— УФЖ, 1967, 12, № 9, с. 1520—1529.
5.	Анатычук, Л. И., Искра В. Д., Лусте О. Д. Вихревые термоэлектрические
токи в Ge.—Изв. вузов. Физика, 1968, № 2, с. 127—128.
6.	Анатичук Л. /., 1скра В. Д., Лусте О. Д. Вплив дом!шок на термоелектричн!
властивост! ан!зотропних матер!ал1в.— УФЖ, 1969, 14, № 1, с. 146—152.
7.	Анатычук Л. И., Лусте О. Д. Вихревые термоэлектрические токи и попереч-
ная термоэдс в зонально неоднородных пластинах.— Изв. вузов. Физика,
1969, № 6, с. 134—136.
8.	Анатичук Л. /., Лусте О. Д. Досл1дження замкнених термоелектричних
струм!в у зонально неоднор!дних середовищах.— УФЖ, 1969, 14, Я® 8,
с. 1391—1395.
9.	Анатычук Л. И., Димитращук В. T.t Лусте О. Д. Поперечная термоэдс в
короткозамкнутом анизотропном кристалле.— ФТП, 1969, 3, Яа 8, с. 1257—
—1259.
10.	Анатычук Л. И., Димитращук В. Т., Лусте О. Д. и др. Поперечная термо-
эдс в полупроводниковой двуслойной пластине.— ФТП, 1971, 5, Яа 5,
с. 956—958.
11.	Анатычук Л. И., Выграненко Ю. В., Лусте О. Д., Пинчук И. И. Распреде-
ление потенциалов в однородном изотропном полупроводнике при большом
градиенте температуры — ФТП, 1972, 6, Я° 5, с. 981—983.
12.	Анатычук Л И., Лусте О Д. А с. 372492 (СССР). Способ многозондового
измерения удельного сопротивления полупроводниковых эпитаксиальных
пленок,— Опубл. 01.03 73.
13.	Анатычук Л. И., Бойко В. И , Лусте О. Д., Разиньков В. В. Поперечная
термоэдс в короткозамкнутых кристаллах — ФТП, 1975, 9, № 7, с. 1410—
1413.
14.	Анатычук Л. И., Лусте О. Д. Вихревые термоэлектрические токи и вихре-
вые термоэлементы. — ФТП, 1976, 10, Я° 5, с. 817—832.
15.	Гольцман Б. М., Комиссарчик М. Г., Лукьянова Л. И., Паат А. А. Влияние
неоднородностей на термоэлектрические свойства сплава 80 мол. % Bi2Te3 +
+ 20 мол. % Bi2Se3.—ФТП, 1968, 2, Я> 6, с. 873—876.
16.	Гольцман Б. №., Кудинов В. А., Смирнов И. А. Полупроводниковые термо-
электрические материалы на основе Bi2Te3— М. : Наука, 1972.—320 с.
17.	Гуревич Л. Э., Шендор Е Ф. Вихревые токи в термомагнитном и акустомаг-
нитном эффектах,—ЖЭТФ, 1969, 57, № 5, с. 1699—1702.
18.	Заварицкий Н. В. Деформационный термомагнитный эффект у олова.—ЖЭТФ,
1974, 67, № 3, с. 1210—1217.
19.	Иоффе А. Ф. Физика полупроводников.—М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1957.—
491 с.
20.	Кудинов В. А , Мойжес Б. Д. Влияние случайных- неоднородностей на из-
мерения термоэдс и коэффициента Нернста в сильном магнитном поле. — ФТТ#
1965, 7, Яо 8, с. 2309—2317.
21.	Лебедев В. В. Деформационный термомагнитный эффект.—ЖЭТФ, 1974, 67,
Яо 3, с. 1161—1167.
22.	Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем,—
ЖТФ, 1951, 21, № 6, с. 678-685.
23.	Пилат И. М., Самойлович А. Г., Анатычук Л. И. А. с. 230915 (СССР). Тер-
моэлемент.—Опубл. 13.03.69.
24.	Самойлович А. Г. Термодинамика и статистическая физика.— М. : Гостехиз-
дат, 1955.—368 с.
25.	Самойлович А Г., Буда И. C.t Даховский И. В. и др. Термоэлектрические
и термомагнитные явления в анизотропных полупроводниках.— В кн : Тез.
докл. VIII совещ. по теории полупроводников.— Киев : Наук, думка, 1975,
с. 149—150.
26.	Скок Э. М., Сардарян В. C.f Блох М. Д. Термоэдс в эпитаксиальных плен-
ках — ФТП, 1968, 2, Яо 12, с. 1813—1816.
27.	Скок Э, M.t Блох М. Д. Вихревые термоэлектрические токи в неоднородных
пленках.— ФТТ, 1970, 12, Я° 3, с. 920—922.
28.	Хогарт К. Материалы, используемые в полупроводниковых приборах.— М. :
Мир, 1968.-349 с.
72
29.	Gelling L. Das Thermoelement als Strahlungsmesser.—Z. angew. Phys., 1951 #
3, N 12, S. 467—477.
30.	Goldsmid H. J. Thermoelectric refrigeration.—London : Temple press bock»,
1964 (1965).— 240 p.
31.	Herring C. Effect of random inhomogenities on electrical and galvanomagnetic
measurements.—J. Appl. Phys., 1960, 31, N 11, p. 1939—1953.
32	Hirose A. Mathematical theory of multi-dimensional thermoelectricity with
some experimental proofs.—J. Inst. Electr. Eng. Jap., 1954, 74, N 9, p. 1056—
1062.
33.	Justi E. Пат. 1076210 (ФРГ). Thermoelektrische Kombination insbesondere
Thermosaule.—Опубл. 15.09 60.
34.	Lukosz W. Geschlossene elektrische Strcme in thermoelektrischanisotropen
Kristallen.—Z. Naturforsch., 1964, 19a, N 13, S. 1599—1610.
35.	Ure R. W. Thermoelectric effects in nonlinear junctions. — J. Appl. Phys., 1962,
33, N 5, p. 1902—1903.
36.	Wilson W.y Epps T. The construction of thermocouples by electrodeposition.—
Proc. Phys. Soo., 1919/1920, N 32, p. 326—338.
Глава III. СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ
ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
В УСЛОВИЯХ ГЕНЕРАЦИИ ЭДС
И ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
§ 1. Классификация термоэлементов
Термоэлементом называют часть термоэлектрического прибора
или устройства, в котором для преобразования одних видов энергии
в другие использованы термоэлектрические или гальванотермомагнит-
ные явления.* Например, в термоэлектрических генераторах или
в термоэлектрических преобразователях для измерения температуры,
где используют эффект Зеебека, термоэлементами являются две
ветви из различных материалов и спай между ними. Последователь-
но или иным способом включенные термоэлементы образуют теомо-
электрическую батарею. До настоящего времени четкой классифи-
кации термоэлементов не существует, однако, учитывая сложившиеся
в термоэлектричестве традиции, в настоящем справочнике термоэле-
менты отличают друг от друга, в первую очередь, не по конструк-
тивным признакам (например, по размерам ветвей или их конфигу-
рации), а по наиболее существенным эффектам, которыми опреде-
ляются принципы их работы.
В таблице приведен вариант классификации термоэлементов.
При ее составлении учтены условия, приводящие к возникновению
термоэлектрического преобразования (см. табл. II 1), и рассмотрен-
ные в гл. I термоэлектрические и гальванотермомагнитные эффекты.
Ряд термоэлементов удобно описывать эффектом вихревых термо-
электрических токов; такие термоэлементы носят название вихревых.
По конструктивным признакам каждый из термоэлементов может
быть классифицирован дополнительно. Например, в работе [35]
термопарные элементы разделены на коллекторные, цилиндрические,
проницаемые [20, 21].
В главах III, IV, V описываются свойства термоэлементов
в различных условиях работы: для генерации ЭДС и электрического
тока, термоэлектрического охлаждения, термоэлектрического нагрева.
Применяемые в двух последних случаях термоэлементы иногда на-
зывают тепловыми насосами. Этим подчеркивается, что при охлаж-
дении и термоэлектрическом нагреве используются одни и те же
эффекты — результатом их действия является перенос тепла от хо-
лодных объектов к горячим или, наоборот, от горячих к холодным.
Изменение направления теплового потока производится соответству-
ющим изменением направления электрического тока, протекающего
* Не следует отождествлять с термином «термоэлемент», иногда употреб-
ляемым для обозначения электрических нагревателей, выделяющих тепло
Джоуля, приемников излучения и др.
74
Основные типы термоэлементов
Название	внешнее воздей- 'Твие	Среда	Исполь- зуемый эффект	Применение			Примечание
				’енерация 1 ЭДС и тока	Охлаждение	Нагрев	|	
Термопара	АТ	Неодно- родная изот- ропная	Зеебека	+	—	—	Среда может быть неодно- родной и анизо- тропной
	/	То же |	! Пельтье	—	+	+	
Слоистый термоэлемент	АТ	» »	Попереч- ная ЭДС	+	—	—	Называют также: искус- ственно анизо- тропный термо- элемент
	1	» »	Пельтье	—	+	*	
Термоэлемент Юсти	АТ	Одно- родная анизо- тропная	Анизофо- пия .тер- моЭДС	+	—	—	Среда может быть анизо- тропной и не- однородной
	1 '	То же	Бридж- мена	—	*	*	
Анизотропный термоэлемент	АТ	» »	Попереч- ная ЭДС	+	—	—	То же
	i	» »	Попереч- ный эф- фект Пельтье	—	+	*	
Вихревой термоэлемент	АТ	» »	Вихревые токи	+	—	—	» »
	i	» »	Пельтье, Бридж- мена	—	*	*	
75
Продолжение табл.
Название	Внешнее воздей- ствие	Среда	Исполь- зуемый эффект	Применение			Примечание
				Генерация i ЭДС и тока j	Охлаждение	Нагрев	
Короткозам- кнутый ани- зотропный термоэлемент	ДТ	Неодно- родная анизо- тропная	Попереч- ная тер- моЭДС	+	—	—	При косом за- мыкании могут применяться изотропные среды
	/	То же	Пельтье	—	+	*	
Термоэлемент Нернста—Эт- тингсгаузена	дт, н	Одно- родная гиро- тропная	Нернста — Эттингсга- узена	+	—	—	Среда может быть анизо- тропной и не- однородной
Термоэлемент Эттингсгаузена	1,Н	То же	Эттингсга- узена	—	+	*	
Короткозамк- нутый термо- элемент попе- речного типа в магнитном поле	дт, н	Неодно- родная гиро- тропная	Попереч- ная тер- моЭДС	+	—	—	То же
Магнетотер- моэлектри- ческий термо- элемент	дт, н	То же	Магнето- термоЭДС	+	—	—	» »
Короткозам- кнутый термо- элемент про- дольного типа в магнитном поле	ДТ, н	» »	То же	+	—	—	
Обозначения: ДГ — воздействие, приводящее к возникновению пере-
падов температуры, / — электрический ток, Н— магнитное поле, * — возмож-
ности применения не изученье 4- применяется.
76
через термоэлемент. Описание термоэлементов произведено в различ-
ных модельных приближениях; в зависимости от требуемой точности
могут применяться выражения различной степени сложности для
расчетов параметров термоэлементов.
§ 2. Термопарный элемент
1. Простейшая модель
Простейшей моделью термопарного термоэлемента является цепь,
состоящая из двух различных однородных проводящих материалов
(рис. III. 1). Если спаи термоэлемента
температурах и Т2, в Депи протекает
термоэлектрический ток [19]. В разомкну-
той цепи возникает термоЭДС
Л
pai(T)-a2(T)]dT,(IH.l)
Л
где «j, а2коэффициенты термоЭДС
материалов 1 и 2. Если aj и а2 несуще-
ственно зависят от температуры, то
£ — («1 — а2) (7\ —- Т2). (III.2)
Из выражений (III.1), (III. 2) при из-
вестных ocf, а2 и измеренной Е опреде-
ляется разность температур — Г2, а
Рис. III.1. Простейшие модели термопар-
ного элемента:
а—замкнутая цепь; б — разомкнутая цепь;
в—термоэлемент с измерительным прибором;
1, 2, 3—материалы с различными коэффици-
ентами термоЭДС.
при известном 7\или Т2— абсолютное
или Т2.
Если термоэлектрическая цепь содержит несколько последова-
тельно включенных спаев, то результирующая термоЭДС опреде-
ляется как сумма последовательно включенных источников ЭДС
со своими знаками [15]. При этом спаи, имеющие одинаковую
температуру, не вносят вклад в суммарную термоЭДС. Например,
при введении в цепь термопары измерительного прибора, электри-
ческая цепь которого состоит из материала 3, отличного от матери-
алов термопары (см. рис. III.1), влияние контактов прибора исклю-
чается, если они имеют одинаковую температуру. Это свойство
термоэлектрических цепей широко используется при измерениях
температуры термопарами. Оно используется также при описании
термопарных элементов, применяемых в термогенераторах или других
термоэлектрических преобразователях тепловой энергии в электри-
ческую (рис. Ш.2). Наличие проводников /, 2, 3, в которых отсут-
77
ствуют перепады температуры, не влияет на электродвижущие силы,
развиваемые термоэлементом. При использовании модели, приведен-
ной на рис. II 1.2, наиболее наглядно и просто описывается влияние
теплот Пельтье (Qn), Томсона (QT) и выделение тепла Джоуля
(Фд) при протекании через термоэлемент электрического тока /.
Коэффициент полезного действия термоэлемента т] для стацио-
нарных граничных условий определяется из закона сохранения энер-
гии путем расчета тепловых потоков, протекающих через грани
термоэлемента у нагревателя и холодильника, и электрического
тока, приходящего через внешнюю нагрузку. Если боковые поверх-
Рис. II 1.2. Модель для расчета энергетических характеристик
термопарного элемента.
Рис. II 1.3. Модель ветви термоэлемента для расчета тепло-
вых потоков через грани с температурами и Т2.
ности ветвей термоэлемента
I, II адиабатически изолированы, то

(Ш.З)
и КПД преобразования
C + Q<'>
(II1.4)
где в числителе — электрическая мощность, выделяющаяся во внеш-
ней цепи, в знаменателе — затрачиваемая тепловая мощность. Для
нахождения г) необходимо более подробно рассмотреть тепловые
процессы в ветвях термоэлемента. Поскольку в ветвях I, II они
подобны, можно ограничиться [11] исследованием одной из ветвей
(рис. Ш.З).
В отсутствие электрического тока поток тепла в любом сечении
s постоянен и обусловлен только теплопроводностью
—xs^ = -yJxdT,	(III.5)
К
где х — коэффициент теплопроводности.
78
Наличие электрического тока приводит к возникновению тепла
Джоуля
i
Сд = pdx	(III.6)
О
и Томсона
Ti
= l [ TTdT,	(III.7)
Л
где р — удельное сопротивление, тт — коэффициент Томсона.
Из закона сохранения энергии для теплового потока в любом
сечении s
х Л
г " е L+ ' т J ± 7 f "IL8>
°
соответствует краевому сечению х ;= 0.
Дифференцирование (III.8) дает уравнение
d2T dlnx’/dTV /^TdT , 12р	,тп _
dx2~~ dT \dx]	sxdx+s2x’	(	'У)
из которого совместно с краевыми условиями
T(0) = T2, T(l)^=Ti	(III.10)
о dT\
где х° и —
dx
находятся распределение температуры в ветви термоэлемента Т (х)
и значения тепловых потоков
= = <Ш11>
В уравнении (III.9) х, р, тт — произвольные функции темпера-
туры. Получить общее решение (III.9), (III.10) не представпяется
возможным, однако при использовании ряда упрощающих допущений
с точностью, достаточной для практических расчетов [-11], искомые
потоки могут быть определены из выражений
(HI.12)
79
Т1 Т\	7\ т.
(III.13)
Если х, р, тт не зависят от температуры, то
dT Т\ — Т2 1 ,2 I 1 т
~Hsd7 rxs I------------(Ш.14)
-xs 27 Г xs + 4/2p T + 4 /тт (Tt - тг). (ш.15)
Рис. II 1.4. Распределение тепло-
вых потоков по длине термоэле-
мента:
а действительное; б — эквивалентное;
Qp «. тепло, подводимое к термоэлемен-
ту: Qx тепло, уходящее в холодиль-
ник; Qx е-. тепло, переносимое за счет
теплопроводности; Q « тепло
Пельтье у горячего и холодного спаев;
С?д — тепло Джоуля (или Джоуля и
Томсона при ту = const 0) [34].
Из (III.14), (III.15) формально следует, что половина выделяю-
щегося в термоэлементе тепла Джоуля и Томсона возвращается
нагревателю, а половина поглощается холодильником (рис. II 1.4).
Этот результат в ряде случаев существенно упрощает задачу опреде-
ления КПД термоэлемента. А. Ф. Иоффе [19] из (III.4) при учете
(III.14), (III.15), пренебрегая теплом Томсона как малой величиной,
получил выражение
m
.	1  ^2_____________т+ 1______________ /ттт 1 /.х
П'~~~ТГ~т , xorm+1	1Т.-Г,	1	’	(IIL16)
т а2 Л 2 Tt m + 1
у,___у
где а*=а£—аа, ——®^==Т]к—КПД цикла Карно. Поскольку
в полупроводниковых термоэлементах одна из ветвей имеет элек-
тронную проводимость, а другая — дырочную, величина а > ах, а2.
В формуле (III.16)
(III.17)
отношение сопротивления внешней нагрузки к внутреннему сопро-
тивлению термоэлемента г, х0 — теплопроводность термоэлемента.
80
(III.18)
/ Х1Р2
Оптимизация (III.16) по отношению $х/$2 при заданных коэффици-
ентах электро- и теплопроводности дает
«2
где pi, р2 и Xi, х2 — удельные сопротивления и коэффициенты тепло-
проводности материалов ветвей. Зависимость КПД от отношения
$i/s2 в области максимальных значений т] не резкая. Например, при
изменении Si/s2 на 30% т] изменяется только на 3%, поэтому часто
в конструкциях термоэлементов ;= s2.
Из (III.18) определяется оптимальная термоэлектрическая до-
бротность термоэлемента
|шл9)
Коэффициент полезного действия при максимальной электрической
мощности во внешней цепи достигается, при mr^= 1:
Ti	4 । 2	1 Tj-T2- Z0Ti^	2 Tt	(III.20)
Максимальный КПД		
^макс'	Tj-T2 M—l Ti M + T2/Ti’	(III.21)
где	_________________
(£) ^ai = 1/i + 1z0(7’1 + t2).
\ Г /опт	Г	2
Различие между rjf и т]макс обычно не превышает 4%. Если прене-
бречь теплом Джоуля, то
7\ - Т2 М' - 1
11 “ Ti М' + 1 *
м' = /TTTVo-
(III.22)
где
Для грубых оценок КПД можно воспользоваться выражением
(IIL23)
7*- I Т
где Тср&=——2. Расхождение с точными значениями обычно
не превышает 10%.
Добротность Zo термоэлемента зависит от термоэлектрической
добротности материалов его ветвей:
VZ~O^ аах^а-2~ .	(П1.24)
а1  а2
УХ УХ
где
2	2
а; . осл
Zi i , Z2 = —.
рххх р2ха
81
2.	Учет электрического сопротивления контактов
Более годные выражения для КПД преобразования можно
получить 135], если во внутреннем сопротивлении термоэлемента
кроме сопротивлений ветвей гг и г2 учесть сопротивление rk пере-
мычки 2 (см. рис. III.2):
r-ri + r2 + ^.	(III.25)
В этом случае в формуле (III.16) — (III.24) вместо Zo необхо-
димо ввести
rk
где т? — Тл~7 ‘
И Г1 г г2
3.	Учет эффекта Томсона
Влияние эффекта Томсона можно приближенно учесть [30, 39], если
ввести средний коэффициент термоЭДС
7\
а =	[ а (Г) dT.	(Ш.26)
1 1 — 1 2 J
Т2
Приближение (III.26) справедливо при не очень больших перепадах
температуры, когда Т± — Т2 < Гср. Необходимо иметь в виду, что
изменению коэффициента термоЭДС, как правило, сопутствуют еще
большие изменения электропроводности, поэтому уточненные значе-
ния КПД преобразования могут быть получены при учете темпера-
турных зависимостей всех свойств термоэлектрического материала.
В общем виде расчет может быть проведен численными методами
с применением ЭВМ. Существуют, однако, и аналитические методы,
дающие удовлетворительный результат.
4.	Метод уточненных тепловых балансов
[25, 35]
КПД преобразования по этому методу определяется из выражения
.	т ! — Т 2__________________m_________________
г, Г(1^+(, + „,	1^, !
L 1	1	7J
(III.27)
где
т.__т_________(Pf । Рг\ (xisi + X2S2) (^f — ^2)
7’	+ Д--------Q(D + q(2)---’
7 __	(«1 + “г^2
^0 — —	——----------------- ,
(Pl/Sj -ф- P2/S2) (X1S1 4“ X2S2)
82
«IT, + a2T, - («т'тЧ + ^1,) T1tJ2
^п~ Тт	ccj + а2
n^QO’ + ^Q^
QV + Q® ’
Q<n = Sx (Ti - T2)	, Q<2> = S2 (Ti -T^t
Tt	т
j Ki(T)dT J Xi (T) pi (T)dT
л(1) | ____________________________
xi(xiPi)(^i— Tzfi
Ti	T
J x2 (T) dT J x2 (T) p2 (T) dT
n<2) = 1 - Ь-_ ____Tl------------,
X2 (Х2Рй) (Tt- ^2)"
Tt	T
J Xi (T) dT j TT) (T) dT
1	----Ъ.------------1
т	тьх,(Л-Т^
Ti	T
J к2 (T) dT тТг (T)dT
л(2) ___ j _£2___~	^2________
хт	Тт2х2(^-Г2)3	’
(IIL28)
PiXj
Г*
j TTt(T)dT
^pHDxHTW
P1 =	^Ti-T^_ ’
n(l) z/'2 (Pixi)
X1
Tl
’‘i=7T=y;JXi (T}dT>
2 Ts
T1
= 77=T-2f P1 (Г) Kr^dT>
1 r,
Tl
^T,(DdT
z ______________
Tt»"- Tt-T2 ’
Tl
Jp2(n ^(T)dT
p2=^--------------,
xa£i-T2)
q(2) __ H- (P2xs)
1	X2
Ti
1 T2
Ti
P2X2	j P2 (^) X2 (^)	»
1 2л
83
Л	rt
\at(T)dT	\a2(T)dT
Z. T2	-
“1- Tt-T2 ’	“2~ Ti-T2 '
Максимальный КПД
„ Ti~T*_____________________^0-1_______________
Ti	М0Кп_Тт + 2К^2/П + Кп_Тт - 2K* ’
(III.29)
где	____________________________
= |Z 1 + Vi (^n^- T-L^ ^i) •	(IIL3°)
Допущения, использованные при выводе формул (Ш.27), (Ш.29),
позволяют с достаточной точностью определить тепловые потоки
на границах ветвей термоэлемента и малопригодны для нахождения
распределения температур. Необходимо иметь в виду, что экспери-
ментальное определение функций а(Т), р(Т), х(Т), т (Т) произ-
водится с точностью, не превышающей нескольких процентов,
поэтому нет необходимости обеспечивать очень высокую точность
расчета.
5. Метод бесконечных каскадов
Ветви термоэлемента разбиваются на достаточно большое число
каскадов (рис. III.5), так что в пределах каждого каскада термо-
электрические параметры могут быть приняты
постоянными. Интегрированием по каскадам оп-
ределяется КПД преобразования
т\
С /1 + ZT - 1
J /Г+zT+i т)’
тг
Рис. II 1.5. Модель
для расчета КПД
термоэлемента ме-
тодом бесконечных
каскадов.
где Z Z (Т) — изменяющаяся вдоль оси х
термоэлектрическая добротность [35]. В фор-
муле (III.31) предполагается, что через каж-
дый элемент dT протекает оптимальный ток,
т. е. каждый элемент (каскад) имеет свою
внешнюю нагрузку. Таким образом, из (III.
31) определяется предельный теоретический
КПД преобразования. В реальных условиях че-
рез любое сечение термоэлемента течет один
и тот же ток /, поэтому условие оптималь-
ности тока нарушается. В этом случае КПД
преобразования определяется из выражения
Tt
1	( Г 1	ZT dT\ /тттаоч
n—1 exp J 1м* 1 + zr + ЛГ 7J’	(1П-32)
т.
(III.31)
84
где

6. Каскадирование. Составные термоэлементы
Увеличение КПД термоэлементов достигается как путем применения
термоэлектрических материалов с высокими значениями Z, так и уве-
личением разности температур Т±— Т2 для досшжения более высо-
ких значений (см. (111,16)). Однако расширение рабочего интер-
вала температур приводит к возрастанию КПД только при одно-
7\
Ъ
Т3
Т4
Рис. Ш.6. Ветвь составного термоэлемента (а);
рабочие интервалы температур для каждого
участка ветви соответствуют максимальным
значениям Z материалов Л, В, С (б).
временном сохранении высоких значений Z. Известные в настоящее
время материалы обладают существенной зависимостью Z от темпе-
ратуры, поэтому наибольшие значения добротности обеспечиваются
ими в относительно узком интервале температур. В связи с этим
целесообразно применение каскадирования, при котором ряд термо-
элементов устанавливается друг над другом, образуя единую после-
довательную тепловую цепь. В этих условиях для каждого из термо-
элементов могут .быть подобраны материал и соответственно интер-
вал температур, обеспечивающие наибольшие значения Z. Повыше-
ние КПД может быть достигнуто и при изготовлении составного
термоэлемента (рис. II 1.6).
Согласование каскадов производится путем соответствующего
выбора их материалов, геометрических размеров и рабочих интерва-
лов температур. Приближенно согласованность материалов может
быть достигнута при условии
— s= const,	(Ш.ЗЗ)
ri ai
где i индицирует параметры z-го каскада. Отклонения от условия
(III.33) ориентировочно не более чем на 25% [35] соответствуют
удовлетворительному согласованию. Предполагается, что коэффици-
енты теплопроводности материалов каждого каскада не резко отли-
чаются друг от друга.
85
Интервалы температур для каждого из каскадов находятся по
точкам пересечения зависимостей (Т). Однако часто интервал
температур задается не только условием рационального выбора Z/,
но и стойкостью материалов к температурным воздействиям, ресур-
сом работы и др.
Длина верхнего, наиболее «горячего» каскада определяется по
формуле
(Tf — 7\) xi [ 1 ।	(^1 —
Qisi L Г1+М1	2(1 + 440?.
(II 1.34)
где — Т2 — перепад температуры на верхнем каскаде, Xf — коэф-
фициент теплопроводности, qj — плотность теплового потока через
грань с температурой Tj, ZT — термоэлектрическая добротность
материала каскада, 44f =1/1 + 1/2ZX (7\ —- 7\)- В пределах каждо-
го каскада параметры термоэлектрических материалов предпола-
гаются не зависящими от температуры. Геометрические размеры
остальных каскадов находятся последовательно из соотношения
,______(Tj+1 — Tj+%)________
2[l+’(/l+4z(-(7’i + TI+I)]
Общий КПД каскадного термоэлемента
N
П = • - П
1=1
(II 1.35)
(III.36)
где т)/ — КПД каждого из каскадов, определяемый по обычным
формулам для однокаскадного термоэлемента, N — число каскадов.
Методы расчета каскадных термоэлементов рассмотрены в ра-
ботах [10, 11, 12, 18, 26, 35, 60, 67, 78]. Описание методов расчета
термопарных, элементов содержатся также в работах [9, 14, 17, 24,
31, 34, 37, 40, 41, 48, 51—53, 76, 77, 81, 82]. Анализ большинства
из них приведен в работе [35].
Как правило, методы расчета разработаны для тепловых усло-
вий, при которых заданы температуры горячего и холодного спаев
термоэлемента. Известны, однако, варианты использования термо-
86
элементов, для которых заданными являются температура холодного
спая и значение теплового потока через горячий спай (например,
в солнечных генераторах, изотопных генераторах (см. гл. X) и др.)
В этих случаях формулы для определения КПД, мощности и усло-
вия оптимизации несколько отличаются от рассмотренных выше
Подробно инженерные расчеты термоэлементов для такого теплового
режима приведены в работе [35].
§ 3. Термоэлемент Юсти
Наиболее наглядный способ применения анизотропии термоЭДС
реализован в термоэлементах Юсти [69]. Элемент представляет собой
термопару, ветви которой вырезаны из одного материала вдоль
Рис. II 1.7. Ориентация термоэлемента Юсти:
/, 2 — ветви термоэлемента, вырезанные из монокристалла 3
с компонентами тензора термоЭДС аи =£ а22.
Рис. II 1.8. Последовательное бесконтактное соединение
в термоэлементе Юсти.
направлений с различными значениями термоЭДС (рис. III.7).
Таким путем достигается бесспайная коммутация ветвей. Последо-
вательное соединение элементов производится таким же образом:
Рис. II 1.9. Монтаж термо-
элемента Юсти:
1 — нагреватель; 2 — монокрис-
таллическое тело термоэлемента;
3 — холодильник; 4 — электри-
ческая изоляция.
из монокристалла термоэлементы вырезаются в виде «лесенки»,
каждая ступенька ориентирована вдоль кристаллографических на-
правлений, как показано на рис. III.8. К термоэлементу через элек-
87
трическую изоляцию монтируются нагреватель и холодильник (рис.
II 1.9). Развиваемая таким устройством электродвижущая сила
Е = УУТЭ (а1Х - а22) (7\ - Т2),	(Ш.37)
где 2УТЭ — число пар ветвей. В большинстве случаев для расчетов
термоэлементов Юсти могут быть использованы формулы, обычно
применяемые для термопар, если положить at = а,ц, а2 = a^, (Ji =
= cr2 = Xf = х//, x2 = x^. При точных расчетах необходи-
мо учитывать реальное распределение температур в термоэлементе,
особенно у нагревателя и холодильника, и возможность возникно-
вения на этих участках вихревых термоэлектрических токов.
§ 4. Анизотропный термоэлемент
В основу работы термоэлемента положен эффект возникновения
поперечных тепловому потоку термоэлектродвижущих сил в образцах
из материалов с анизотропной термоЭДС. Образцы ориентированы
таким образом, чтобы направление теплового потока не совпадало
с главными кристаллографическими осями (рис. III. 10). Термоэле-
Рис. III 10. Анизотропный термоэлемент.
Рис. Ш.П. Монтаж анизотропного термоэлемента:4
1 — анизотропный кристалл? 2 « нагреватель; 3 электрическая изо»
ляция; 4 холодильник.
мент обычно изготовляется в виде прямоугольной пластины, две
противоположные грани которой поддерживаются при разных темпе-
ратурах [29]. Развиваемая термоэлементом электродвижущая сила
снимается с граней 1,2. Для орторомбических кристаллов [36,49,80]
«» (ап — а22) у (?1 — Т2) sin <р cos <р,	(III.38)
где ан, а22 — компоненты тензора термоЭДС. В отличие от ЭДС
термопар, ЭДС, развиваемая термоэлементом, зависит от его гео-
метрических размеров, что позволяет без коммутации, только путем
соответствующего выбора у получать необходимые напряжения.
88
При монтаже термоэлементов необходимо их электрически изо*
лировать от электропроводных нагревателей и холодильников (рис.
III.11). Если Tf и Т2 — температуры нагревателя и холодильника,
h0 — толщина изоляции, хиз — ее теплопроводность, то
Е'± = (ап — а22) (?i — Т2)-----------sin ф cos ф. (111.39)
* + 2^й0
хиз
Из-за тепловых потерь Е'± < Е± [23].
Для небольших Т1 — Т2 в пренебрежении влиянием эффектов
Томсона и Бриджмена
n = lza(Ti-T2)-lzaT1KTcp) (111.40)
где
z ___ _________QTia22 («и ~ а2г)2 sin2 ф cos2 ф__________
а — (хи sin2 Ф + х22 cos2 Ф) (аи sin2 ф + а22 cos2 ф) *
(III.41)
Здесь Cjj, сг22 — компоненты тензора электропроводности, х22 —
компоненты тензора теплопроводности.
Более точные выражения для оптимального КПД при больших
ZaTcp получены в работе [33]:
\-Т2	1
Т1 1 + 2 ’
Ф ZaT
где
Если коэффициент термоЭДС и электропроводность зависят от
температуры [32], формула (III.38) преобразуется к виду
ЕХ=(ГХ-Т2)
л
\ ~ («И - а22) dT
а г2
89
где pfj =-----——. При этом в термоэлементе [28] наблюдается
tfiia22 — а12
перераспределение тока — его значение возрастает в тех областях,
где электропроводность больше.
КПД анизотропного термоэлемента при учете температурных
зависимостей параметров термоэлектрического материала исследован
в работе [16].
у	В	анизотропных термо-
элементах, как правило, воз-
никают вихревые термоэлек-
трические токи, частично ис-
кажающие распределение
температуры, электрического
тока и потенциала. Чаще
всего вихревые токи возни-
кают из-за неоднородности
или температурной зависи-
мости свойств материала тер-
моэлемента-и из-за наруше-
_ ттт ~	ний постоянства градиента
Рис. III.12. Вихревые токи	в	анизот-	температуры. Наиболее изу-
ропном термоэлементе:	ченными факторами, приводя*
/, 2—токосъемы; 2 —- анизотропный кри-	ЩИМИ К возникновению ВИХ-
сталл [22].	ревых токов, являются сле-
дующие.
Влияние токосъемных контактов [22]. Наличие токосъемных
контактов, а также теплообмен боковых поверхностей кристалла
с окружающей средой приводят к следующему распределению
температуры в термоэлементе:
т т'	_|_2а'&(7\ —Т2) уч .	. kn
Г = Го+—Ь---У * * * * +-й'-ch Т Х Sm ~b У'
k=l
(III.43)
где
1 l । а'ь\{ ,kn а , х0 , kn а\
_ = kn И kn Н-- ch	sl>— -- х
<5д>	X / \ Ь 2 ' X 6 2/
kn /	a’b\l kn a xn , kn a\
Хехрт/-(^--^ДсЬт--_?5Н^-^
Л kn
X expl 1-— /I ,
T' = T2 — температура окружающей среды, a' — коэффициент те-
плоотдачи, х' — теплопроводность токосъемных контактов. При
таких условиях в термоэлементе возникают две системы замкнутых
токов (рис. III.12). Разность потенциалов на контактах термо-
элемента
= у («11 - «22) (Ti - Г2) у + 2 ^1- «22)(Г1-Г2)а'& х
и	X
90
00
ХЭП Г У\ —'V^cos
G О 4—4	О
£=1
(III.44)
где
.fat ( , kn а . о0 kn . &л а । ’
shTa'sllT2+^ttT'chTi)
а' — электропроводность контактов. Выражение (III.44) получено
в предположении слабого влияния вихревых токов на распределение
температуры. В (III.43), (III.44) а0, х0электропроводность
и теплопроводность термоэлемента, которые приняты изотропными.
Отклонение от изотермичности на гранях прилегающих к нагре-
вателю или холодильнику [22], искажает одномерное распределение
земпературы в термоэлементе. На рис. II 1.13 приведено распреде-
ление вихревого тока, вызванное неизотермичностью на грани, при-
легающей к нагревателю. Штрихами обозначены изотермы.
Рис. III.13. Возникновение вихревого тока в анизотропном
термоэлементе при неоднородном распределении температуры:
а — распределение температуры на верхней грани термоэлемента (нижняя
грань изотермическая, боковые — адиабатические); б — распределение
вихревого тока [22].
Рис. III.14. Изотермы в анизотропном термоэлементе при
ф ¥= О» ~2 t х21 ¥= ^22 1^2].
Анизотропия теплопроводности [32] также искажает одномер-
ность распределения температуры (рис. III. 14). Распределение
потенциала в термоэлементе для этого случая дается выражением
Фо (х» У) ~ —(aii — °°22) (7\ —	---aii (T't — 7\)	+
00	х
х	1 sh ~b
+ 40111Й / I (W sin kn т -4 (afi - x
ZT chtoT
91
sz ^12
^11
k=l
. , X~T CL	,, Я -1
ch kn----г—	sh kn -r
Ь t ! Ч ~Ь
a------------------(x 4- a)----------
, , a	i , cl
ch kn -r-	ch kn -r
b	b
sin kn ~ . (III.45)
b
Нестационарный температурный режим [5]. Если тепловой поток
нагревателя изменяется во времени по гармоническому закону
Рис. III. 15. Системы вихревых токов в анизотроп-
ном термоэлементе при протекании теплового по-
тока q =i qQ (1 + sin co/) (грань у =; 0 изотермичес-
кая, боковые грани адиабатически изолированы).
то в термоэлементе возникает распределение температуры
хо
ь — у +
)+ехр2Ьб
exp (-2Y) +
—2 ехр (—V) cos V .	. л .	, ехр (—V) sin V
X	—Ч---sin со/--- 4- arctg —   —.тт---
4-2 ехр (—У) cos V	4	5 1 4- exp (—Y) cos Y
l УУ\ • УУ	(уУ	Л . Л
exp^sin^-exp^-ljs.n^l-^
^ГС g ( уУ\ уУ	(уУ	Л I.	уУ\ г
ехр C0S 2ft - ехр - Ч “Ч* 1 - 2b)j
(Ш.47)
где q0 — амплитуда теплового потока, со — частота, / — время, а0 =
Хл
= —с — удельная теплоемкость материала, р0 —его плотность,
92
При таком распределении температуры в термоэлементе возни-
кают системы замкнутых термоэлектрических токов (рис. III. 15).
Ток через внешнюю нагрузку 7? при условии выделения в ней
максимальной мощности
z ----------£1£22------- (£11.-7 М sin 2 % ь х
Сц cos 2ф 4- а22 sin2 ф 4	т х
ч. I. . V2 1 Г1 + е“2т — 2e~i cos V . ( . л
X U 1 / —!-----------------о---------------sin I со/---т- f.
[ Y у 1 4- е 2? -(- 2е 1 cos Y \	4 / J
(III.48)
Интегральный ток через термоэлемент содержит как переменную,
так и постоянную составляющие. С ростом частоты со вихревой ток
перераспределяется, концентрируясь у горячей грани термоэле-
мента.
§ 5. Вихревые термоэлементы
1.	Кольцевой термоэлемент
Вихревой термоток при соответствующем выборе распределения тем-
ператур и свойств среды может быть отведен во внешнюю цепь.
В этих условиях совокупность нагревателей и холодильников вместе
с образцом и контактами может рассматриваться как термоэлектри-
ческий генератор с термоэлементом, выполненным из однородного
анизотропного материала [7, 42, 44—46]. Для случая круговых тер-
моэлектрических токов такой генератор должен содержать термо-
элемент (рис. III.16) в виде плоского анизотропного диска радиусом а.
Нагреватели и холодильники с теплопереходами создают в диске
распределение температур
АГ
Г(х,«/) = Тср + -йед
где Гср — температура в центре диска, или средняя температура об-
разца. Внутреннее отверстие диска заполняется электроизолирующим
веществом, теплопроводность которого близка к теплопроводности х
диска. Напряжение, развиваемое таким термоэлементом, описывается
выражением
Е R ^11^22	^22)	(д- —- 6-)	(III 49)
где Ъ — внутренний диаметр диска, h0— его толщина, АГ — макси-
мальный перепад температуры в термоэлементе. При R -► оо ЭДС,
возникающая на контактах термоэлемента, определяется по формуле
£ = 4 ДТ (alf - а22)	.	(III.60)
111 Uj и
93
Ток, ответвленный во внешнюю цепь,
1	°11°22
4 ап + о22
/г0 (ап — а22) ДТ
'1_____________^11^22^0 1П а/Ь_________
L	\ 4Л (On -f- О22) t
(Ш.51)
При R 0 уменьшение тока, ответвленного во внешнюю цепь, при
возрастании R приводит к тому, что часть вихревого тока замыкается
Рис. 111.16. Вихревой термоэлемент:
/, 10— нагреватели; 2t 6f 11, /4тепло переходы; 3, 7, 9 — электри-
ческая изоляция; 4 — вырез в центре диска; 5, 13 — холодильники; 8 —»
электрические контакты; 12 —. анизотропный диск.
Рис. III.17. Вихревой термоэлемент с упрощенной конфигу-
рацией нагревателей и холодильников:
lt3 — нагреватели; 2, 4 —* холодильники; 5 — электрическая изоляция;
6 —анизотропный диск.
на самом термоэлементе, создавая ток, направление которого проти-
воположно основному (см. рис. III.16); плотность тока
п \ ДТ^и^ггРо___________^£11£22__ _1_
9	11	22 4а? (Оц + о22) 4л (ои 4~ ^22) Ро ’
(II 1.52)
где р0 — бегущий радиус. Граница, где ток изменяет
Ро'
Rh^at-b*)
l + j?	in-g)
4л (on 4- о22) b )
Тепловой поток через образец дается выражением
Q -- 2х AT/i0.
направление,
(III.53,
(Ш.54)
94
Коэффициент полезного действия
I 62\
R (<Ч1°22)2 («И — «22)“ К 1 — “J Г (Тх — Т2)
. (111.55)
32* 1 + R 4л%1Р1а )ln Т (сти + а22)2
\ 4л (ап ф а22,	° /.
Оптимизация по внешней нагрузке дает максимум КПД преоб-
разования при
п (gii 4~ а22)
Miig22 In a/b '
(III.56)
Из выражения (III.55) следует также, что при изготовлении термо-
элементов необходимо удовлетворить определенному соотношению
между диаметром диска и диаметром отверстия:
у « /з;	(Ш.57)
при котором г) достигает максимума. Учет условий (III.56), (III.57)
дает
__ Л (аи — а22)2 (gllg22) Гср (^1	^2)
16	(gll + g22)
(III.58)
где г* ~ 0,81.
Экспериментально установлено, что замена нагревателей и холо-
дильников с теплопереходами сложной конфигурации разрезанным
на четыре части кольцом (рис. III. 17) (с постоянной температурой
в пределах каждой четверти кольца) уменьшает напряжение термо-
элемента не более чем на 16%.
2.	Спиральный кольцевой термоэлемент
Наиболее примечательной особенностью вихревых термоэлементов
является возможность их бесконтактной коммутации [42, 44—46].
Эта возможность реализована в устройстве, изображенном на
рис. III.18. Рабочее тело 1 конструктивно выполняется в виде ци-
линдрической трубы длиной Z, разрезанной по винтовой линии на Nc
витков. Витки полученной таким образом спирали представляют
собой вихревые термоэлементы с контактными плоскостями, смещен-
ными на один шаг винтовой линии. Система нагревателей и холо-
дильников ориентирована относительно кристаллографических осей
таким же образом, как и в случае отдельного термоэлемента, так
что для каждого витка удовлетворяются рассмотренные выше тем-
пературные условия и кристаллографическая ориентация. Поэтому
напряжение на концах спирали несущественно отличается от
(III.59)
где Nc х= — , ибо разрез по винтовой линии и некоторое в связи
с этим изменение в конфигурации диска мало изменяют тепловые
и электрические характеристики образцов. Для расчета значений КПД
и тока можно использовать формулы (III.51), (III.55). Изготовлен-
95
ный таким образом термогенератор из CdSb при AT z= 150° С и Лгс =
*= 36, / — 40 мм и	мм развивал напряжение Е^^=0,98 В.
Рис. II 1.18. Спиральный вихревой термоэлемент:
1 — спираль из монокристаллического вещества; 2 — нагре-
ватели; 3 — холодильники; 4 — вещество-наполнитель;
5 — электрическая изоляция; 6 — электрические контакты.
3.	Спиральный прямоугольный термоэлемент
в режиме продольного градиента температуры
Для получения больших напряжений могут быть использованы вих-
ревые термотоки, отличные по конфигурации от круговых. Интересно
Рис. III.19. Схема, поясняющая связь между рамкой Лукоша
и термоэлементом Юсти:
а — рамка Лукоша; б — рамка Лукоша, нагруженная внешним сопротивлением—
аналог генератора Юсти; в — генератор Юсти.
Рис. Ш.20. Спиральный вихревой термоэлемент прямоугольной
формы:
/, 5 — нагреватели; 2, 4, 7-^ теплопроводящая электроизоляция; 3, 6 — холо-
дильники; 8 монокристаллическая спираль.
96
рассмотреть возможность использования для этой цели рамки Лу-
коша [70]. Легко видеть, что разрезанная изложенным выше спосо-
бом рамка Лукоша — это также термоэлектрический генератор
(рис. III. 19). В развернутом виде рамка подобна описанному в па-
тенте Юсти [69] бескоммутационному термоэлементу. Однако более
компактным является термоэлемент с рабочим телом в виде прямо-
угольной спирали (рис. II 1.20); ЭДС, развиваемая таким термоэле-
ментом,
Я-2(аи-а22)(Г1-Т2)1	(Ш.60)
"о
Термоэлемент такого типа, изготовленный из CdSb, при Т±—
— 7\~=150°С, /-4 см, Ло х= 0,04 см, развивает напряжение 5,8В.
КПД термоэлемента дается выражением
____ 1 (а11—а2а)2 (О'!! + а2а) т — ^2 ШТ АП
Л“4 (хп + х22) 'ср Tt '
4.	Спиральный прямоугольный термоэлемент
в режиме поперечного градиента температуры
Большие напряжения [42, 46] могут быть получены при использова-
нии вихревого тока, возникающего в прямоугольных образцах при
Рис. II 1.21. Схемы, поясняющие принцип работы вихре-
вого спирального термоэлемента:
а — распределение вихревого тока в анизотропной пластине; б
вихревой термоэлемент; в « спиральное рабочее тело вихревого
термоэлемента.
воздействии поперечного градиента температуры (рис. III. 21, а). Для
достаточно длинных образцов, пренебрегая распределением тока на
их границе, плотность тока можно записать в виде
j = josign I/,	(III.62)
где ось у s= 0 соответствует границе раздела текущих навстречу друг
Другу токов. Для среды с анизотропным коэффициентом термоЭДС
rot j = —о rot $*, div j 0, /n|s==0,
Д 9 413
97
откуда следует, что векторы j и равны с точностью до постоян-
ного множителя, а градиент температуры должен удовлетворять
условию
V? т* sign у,	(III.63)
где т*— постоянный вектор. Такие условия легко удовлетворить
экспериментально, если воспользоваться тем фактом, что перпенди-
кулярно линии у = 0 вихревой термоэлектрический ток в основной
части кристалла не протекает и наличие или отсутствие электриче-
ского контакта вдоль этой линии в средней части кристалла не из-
меняет существенно картину распределения тока. Поэтому вдоль
этой линии в кристалле может быть вырезана полость для размеще-
ния в ней, например, нагревателя (рис. III.21, б). Внешний периметр
полученной таким образом рамки приводится в тепловой контакт
с холодильником,- Для отведения вихревого тока во внешнюю цепь
в рамке делается разрез, на обе стороны которого накладываются
электрические контакты.
Последовательное включение таких термоэлементов [42, 46]
может, как и в случае круговых образцов, достигаться разрезом
прямоугольного монокристаллического бруска с отверстием по вин-
товой линии (рис. Ш.21,в). При эюм развиваемая ЭДС
F — (а1£ — а22) (Т2 — 7\) ? с- sin ф cos ф,	(111.64)
где Tj и Т2 — температуры на внутреннем и внешнем периметрах
спирали.
Ток при наличии внешней нагрузки
7 = («и ~ «22) (^2 ~	— с) I sin Ф cos Ф
bd R + (pu sin? ф + р22 cos? ф)
(III.65)
2 (а 4- с) Z
М?
КПД для случая
а^Ь, с	(III.66)
при малых Т2 — Tf определяется из выражения (111.40). Если (II 1.66)
не удовлетворяется, необходимо учитывать дополнительные потери,
вызванные противоЭДС в коротких плечах витков спирали. Опти-
мальный угол ф, соответствующий максимуму КПД, определяется
в каждом конкретном случае в зависимости от анизотропии электро-
и теплопроводности.
Опытные образцы спирали изготовлены из CdSb. Угол между
осью х и кристаллографическим направлением (100) равен 45°. Раз-
меры спирали: Z ?= 40 мм, с “5 мм, а = 30 мм, d = 0,8 мм, Ь —
= 0,8 мм. Термоэлемент развивал напряжение до 30 В при перепаде
температуры 100° С.
В зависимости от конкретного применения и условий согласо-
вания с нагревателями и холодильниками форма спиралей может
выбираться отличной от прямоугольной.
98
§ 6. Короткозамкнутый анизотропный
термоэлемент
Работа термоэлемента основана [2, 3, 4, 6, 43) на использовании
поперечных тепловому потоку термоэлектродвижущих сил, возникаю-
щих при протекании через анизотропный кристалл электрического
тока, не совпадающего по направлению с кристаллографическими
осями (рис. III.22). Возбуждение тока достигается закорачиванием
термоэлемента внешним сопротивлением г0. В режиме короткого
замыкания поперечная ЭДС на контактах 7, 2
Е -”11	”22 sjn2 I ДГ
х 2. УЛО ,
+ о/ (Pti~p^)sin2(p—- (апsinsф + а22cos?ф)1 ДТ, (II 1.67)
2 (pu sin? ф + р22 cos? ф)' 11	'
где Pu, р22 и ап, а22— компоненты тензоров
электросопротивления и термоЭДС вдоль кри-
сталлографических осей и х2, ф — угол между
направлением вектора плотности тока j и осью
ХГ> &Т =	— ^2-
Рис. II 1.22. Схема короткозамкнутого анизо-
тропного термоэлемента:
1 — кристаллическое вещество (кристаллографические
оси х,, х2); 2, 8 — закорачивающие электрические кон-
такты; 3 нагреватель; 4, 7 — электрическая изоля-
ция; 5, 9— контакты для подключения внешней нагруз-
ки; 6 — холодильник.
Выражение (II 1.67) получено в предположении слабого влияния
эффектов Пельтье, Бриджмена и Томсона на распределение темпе-
ратуры и потенциалов в кристалле и в пренебрежении потерями
тепла на контактах 5, 9 и электрической изоляции 4, 7. Первым
членом в (II 1.67), как и в анизотропном термоэлементе, описывается
зависимость поперечной термоЭДС от анизотропии термоЭДС; второй
чпен обусловлен наличием анизотропии электропроводности в кри-
сталле. Зависимость поперечной термоЭДС от геометрических разме-
ров термоэлемента позволяет без коммутации достигать необходимых
напряжений.
Термоэлектрическая добротность термоэлемента определяется из
выражения
sin? ф [(ал — a22) (a22 sin? ф + an cos? ф) +
2 _ + (^22 — <hi) («и sin? Ф + a22 cos2 <р)]г /р1хам
кз 4 (а22 sin2 ф + оХ1 cos2 ф)2 (а22 cos2 ф +	' '
+ оп sin? ф) (х1Х sin? ф + х22 cos? ф)
Из (II 1.67) следует, что для известных в настоящее время тер-
моэлектрических материалов значение поперечной термоЭДС, обус-
ловленной короткозамкнутым током и анизотропией электропровод-
4*
99
ности, как правило, превосходит максимальное значение поперечной
термоЭДС, обусловленной анизотропией коэффициента термоЭДС.
Для поперечной термоЭДС, возникающей в связи с анизотропией
термоЭДС, фопт s= 45°; для второго члена уравнения (ропт зависит
от анизотропии электропроводности и определяется из выражения
Фопт = arcsin у ГХ-п /» •	(III.69)
г 1 ~г Р11/Р22
Из выражения (III.68) следует, что термоэлектрическая добротность
короткозамкнутого -элемента существенно зависит от анизотропии
электропроводности и кристал-
лографической ориентации, при-
чем оптимальный угол, соответ-
ствующий максимальной доброт-
Рис. II 1.23. Угловая зависимость термоэлектрической добротности
короткозамкнутого термоэлемента ZK3 для К* s= 2 — 8.
Рис. III.24. Термоэлемент с системой замыкающих проводников.
ности, находится в прямой зависимости от анизотропии электропровод-
ности. На рис. II 1.23 приведены зависимости ZK3 от ф для различных
Кр — Р11/Р22 при отсутствии анизотропии термоЭДС (х0 — эффективная
теплопроводность). Оптимальный угол, соответствующий максимуму
КПД, не совпадает с фопт для максимального напряжения.
Выражения (III.67), (III.68) справедливы при Ло > / без учета
закорачивающего влияния электрических контактов. Величина Е ±
достигает наибольших* значений при I > Ло, когда сплошные кон-
такты должны существенно закорачивать Е±, поэтому в конструк-
циях термоэлементов используется система замыкающих проводников
(рис. III.24).
Напряжение, развиваемое термоэлементом при I > hQi
1 f(NK)
tide WK
chg9 + cos^y
ch T)o + cos г- у
no
100
Ов	Д-	Л	-О	Л
ch ВТ	+	cos г- у	chin	+	COS	7-у
+ у in-------------------"»-----------2й—
/ I	1	+	Л	,	—	Л
A-J	ch	bzi	—	cos 7-1/	ch r]„	—	cos	г-#
П=1	"о	по
(III.70)
„2
_
V
1 — к®
где
[|	_ Д?
<(Л0 — У) COS ф — (х ± nti) sin ф) - к~ —К? (X±nii) , .
Ъп •=£ sin Ф (У cos Ф + (* ± n//)sin Ф> —(х ± nti) ,
tl-
f (WK) — функция, определяющая зависимость Е± от числа замыкаю-
щих элементов, NK — число замыкающих элементов на единице
высоты термоэлемента hQ, а =	== а22, а = ]/о'£1а22»
а ATa2i td
/CpSin^ ф + cosI 2 ф ’
Рис. II 1.26. Модель короткозамкнутого анизотропного термоэлемента
с косым замыканием.
Функция f (NK) = =---- определена электромоделированием
'макс
(рис. III.25). При AfK> 8, ///макс -* 1, где / — ток через систему за-
мыкающих проводников, /макс — ток через термоэлемент при сплош-
ном контакте. Таким образом, при 7VK>»8 для определения Е ± и ZK3
можно использовать (III.67), (III.68). Для нахождения КПД пре-
образования необходимо учитывать потери тепла на замыкающих про-
водниках.
Увеличение и ZK3 может достигаться при использовании
косого замыкания (рис. III.26). В этом случае
Е
I f(NK> [ln ch Во у ch^ ch В, •
ndc NK 1П ch t)0 + ch n+ ch r)-
(III.72)
101
Здесь
Щу + h0 ctg 3 + 2ЙО ± iti j sin <р -
h ]	1 -	,	u
-2° с°3ф sin <р X ——V + K? -L + ft0ctg₽ + 2ft0 ± Hi >
J	'p	\ 4	/)
{[(§+2Ло±Ч
. h0
Sin ф + — cos <p
sin cp „-P +
+ K?(j + 2h0± itl
При > 1 и т)* > 1, что достигается при I > Ло,
Ех = аДТ/^к)£ф(ф, р, К}),	(III.73)
где
ф(ф, ₽, №) =
Г	Д’? ____ |
sin р ctg р (К2 cos2 ф + sin2 ф) 4-— sin 2ф
=--------------s------------------------------ < (III.74)
К2 cos2 (Р — Ф) + sin2 (р — ф)
Из (III.73), (III.74) следует, что отрицательным углам ф соот-
ветствуют положительные углы р, и наоборот, т. е. замыкание должно
производиться в направлении кристаллографической оси, имеющей
большую электропроводность. С увеличением К? угол | ф | умень-
шается, а | р | увеличивается. С увеличением анизотропии электро-
проводности поперечная термоЭДС возрастает.
При угле р =# 90° поперечная термоЭДС возникает и в полностью
изотропных кристаллах (К2 = 1). Ее значение определяется выра-
жением
Е = a &Tf (NJ cos ₽.	(III.75)
«О
Короткозамкнутые генераторы обладают более высокой надежностью
по сравнению с обычными термопарными батареями. Нарушение
электрического контакта, как правило, выводит обычные термобата-
реи из строя, для короткозамкнутых элементов нарушение контак-
тов проводников, замыкающих кристалл, приводит только К незна-
чительному уменьшению напряжения до величины
^к-^об
Л'к
(III.76)
где Л4об — число обрывов.
102
Разновидностью короткозамкнутого термоэлемента является зо-
нально-неоднородный элемент (рис. III.27). У таких термоэлементов
замыкание производится проводящей пластиной с анизотропной
электропроводностью. Пластина должна обладать по возможности
большей анизотропией электропроводности и ориентироваться таким
образом, чтобы кристаллографическое направление, соответствующее
большему значению электропроводности, совпадало с направлением
Рис. III.27. Зонально-неоднородный
термоэлемент:
1 — монокристалл из термоэлектриче-
ского материала (кристаллографические
оси хи х2); 2—замыкающая пластина
из материала с большой анизотропией
электропроводности (кристаллографиче-
ские оси ylt y2)t <5у* >	3, 4 — элек-
трические' контакты для отведения во
внешнюю цепь поперечной термоЭДС.
теплового потока. Электрические и тепловые характеристики и тол-
щина пластины должны обеспечивать минимальное шунтирование
теплового потока при надежном закорачивании продольной термоЭДС.
С учетом шунтирования потоков тепла и электрических потерь в за-
корачивающей пластине для расчетов поперечных напряжений и КПД
преобразования зонально-неоднородных элементов можно использо-
вать формулы (II 1.67), (III.68).
§ 7.	Слоистый термоэлемент
Выполнен [13, 56—58] в виде прямоугольника из двух Чередующихся
областей I и II, обладающих различными термоэлектрическими свой-
ствами (рис. III.28). Если грани у = 0 и у — b поддерживаются при
температурах Т2 и Т^, то вдоль направления х возникает термо-
электродвижущая сила, значение которой при а > b
	Е^=к^{Т1-Тг),	(III.77)
т. е. необходимое напряжение при заданном перепаде температуры
может быть достигнуто соответствующим выбором геометрических
размеров термоэлемента. Коэффициент k является функцией термо-
электрических параметров областей I и II, их геометрических раз-
меров и ориентации границ раздела сред относительно граней термо-
элемента. Для его расчета обычно привлекается модель, согласно
которой неоднородная среда термоэлемента рассматривается как
однородная и анизотропная. Аналогичным образом производится опти-
мизация термоэлемента и по КПД [8]. Переход от неоднородной
среды к анизотропной производится следующим образом [8]. Компо-
ненты тензора электрического сопротивления рх<) определяются как
ЮЗ
при последовательном соединении слоев, а р^о — как при
ном (см. рис. III.28):
__Р1 +	’ __	+ 1
р*° ~ «5 + 1 ’ Pu° ~ l/Pl + MV
параллель-
(III.78)
где
Л5 ~
Здесь и далее pj, Xf и а2, р2> х2— коэффициенты термоЭДС
электросопротивления и теплопроводности I и II слоев.
Рис. II 1.28. Слоистый термоэлемент.
Рис. III. 29. Система вихревых термоэлектрических токов в слоистом
термоэлементе [13].
Компонента тензора термоЭДС аХо. найдена из представлений
о последовательном соединении термоэлементов с учетом их тепловых
сопротивлений:
(III.79)
х0
Xf+X2 5
1 *
Xi Х2
Компонента тензора термоЭДС ауо определена на основе соотноше-
ния Томсона с учетом возникающего в слоистой системе вихревого
термоэлектрического тока (рис. III.29):
_ а1р2 +
«5Р1 + р2 ‘
(III.80)
При известных ауо значение Е± определяется по формулам
(III.38), (III.39) путем замены «и =	а22 = а^. Теплопровод-
ность kXq определена из условия суммирования тепловых сопротив-
лений в направлении х0:
+ 1
Xi ~f’x?
Ю4
При нахождении компоненты х^ учтено влияние вихревого тока,
приводящего вследствие действия эффекта Пельтье к возрастанию
теплопроводности:
Xf + nsx2
^=x+r(,+z^Tcp)’	(П1-82>
где
Гср = i (Л + г2). Zt-2 = ---(IIL83)
(Xf + «5x2) Pi + £-2
\ ns/
Величина Z^_2 определяет термоэлектрическую добротность обычного
термопарного элемента, составленного из материалов 1 и 2.
Выражение для термоэлектрической добротности материала неод-
нородной системы
Z^ZiF^	(III.84)
содержит три множителя: Zf, представляющий собой термоэлектри-
ческую добротность одного из материалов, например
2
Zf -------;
Xjpi
Fn является функцией безразмерных физических параметров К*
т, ________Ра % _____а2 .
*1’ ЛР~Р1 ’ ах’
(*Р+п8*дт+1)? -
п (Kp + «s)2(l + rtsKx)(l+nsKe)5
(III.85)
Фш — функция угла ср, анизотропии термоЭДС, электросопротивления
и теплопроводности:
ф __	— I)2
“~(с)оЕх+1)(о)о£р+ 1)’
где
«О = tg? <р, Е„ = —°, Е = -Л Е =
° s Y а Р р„ х х/7
Уо	*У0	у0
Максимальное значение термоэлектрической добротности
/макс _ 7	(1-К^(Кх-у)2
а MHo+l/ Kx(Kx+n5)(K₽ + «8)?(l + Mp)
достигается при
tg«<p =
1 п /(*х+«8ЖР + п8)(1+«Л)(1+па-Кр)
“ («а+1)5 |/	ял;	’
(III.86)
(III.88)
(III.87)
105
«.К, (I + 2^ , + 1 ( + 1U / 1 Л |И“ '
Ах\ «8/ \АХ/
Для случая неоднородной среды, составленной из чередующихся
металлических и полупроводниковых слоев,
Кх> 1, *Р«Ь
Максимальная термоэлектрическая добротность
(1 — KJ2
2маКС _ z -	........ (Ш.90)
а [1+/КЛр(1+21_,Тср)р
при	_
tg<PonT=X?r КйЭ(1 +Z^Tcp)- (Ш.91)
Т 1 г Г2К1	к
При оптимальном угле <ропт максимальные значения доброт-
ности достигаются при максимальных а2, минимальном отно-
шении чисел Лоренца If, L2:
= Ь =	(III.92)
х р Xjpf Li
и оптимальном п§пт:
попт 1 f	,	(III.93)
°	|/ 1 + КхКр
По данным работы [8], добротность и соответственно КПД
преобразования слоистых элементов могут достигать значений тер-
мопарных элементов. Предлагается использовать слоистые термо-
элементы в термогенераторах и термохолодильниках поперечного
типа.
§ 8. Термоэлементы
Нернста — Эттингсгаузена
1. Простейшая модель
В термоэлементе использован эффект возникновения в направлении,
перпендикулярном тепловому потоку, термоэлектродвижущей силы
Нернста — Эттингсгаузена при наличии магнитного поля вдоль z и
теплового потока вдоль х (рис. II 1.30). В простейших случаях [47,
54, 85] термоэлемент состоит из одного или двух брусков, на кото-
рых стационарно поддерживается разность температур. Грани с тем-
пературами 7\ и Т2 изотермичны, на остальных гранях, в зависи-
мости от режима работы, могут иметь место различные температур-
ные условия. Магнитное поле однородно. Пренебрегается явлениями
106
на контактах брусков с токовыми проводниками, а также темпера-
турными зависимостями параметров материала брусков. Пренебре-
гается также термоЭДС, вызванной эффектом Риги — Ледюка. Зна-
чение этой термоЭДС составляет не более 3,5% ЭДС Нернста —
Эттингсгаузена.
Коэффициент полезного действия термоэлемента
W
т) = тг,	(Ш.94)
V w
где W — электрическая мощность, выделяемая во внешней нагруз-
ке 7?, Qw — подводимая к термоэлементу тепловая мощность. Тепло-
вой баланс на горячей грани описы-
где — тепло, переносимое термоэлементом за счет теплопровод-
ности, Q9 — тепло, передаваемое источнику тепла за счет эффекта
Эттингсгаузена, фд — тепло Джоуля, равное, как и для термопар-
ных элементов, половине выделившегося в термоэлементе тепла за
счет протекания электрического тока I. Они определяются выраже-
ниями
= (X1 т£ +	7")(Г1 ~ Т*> =	(Л “ ?2)’ (IIL96)
<?э = а	+ ---4 -- •	<П1-97>
\ ui	а2 '
где Xf и х2 — коэффициенты теплопроводности материалов брусков,
Pi и р2 - их удельные сопротивления,
ДТУ> = рэ В1/Ьь	'	(III.99)
ДТ^2’ = РэВЦЬг	(III.100)
— перепады температуры на брусках, вызванные эффектом Эттингс-
гаузена, Рэ и РЭа — коэффициенты Эттингсгаузена, В — магнитная
индукция.
107
С учетом связи между постоянными Нернста — Эттингсгаузена
и Эттингсгаузена [50] (см. 1.83) из (III.97) и (III.99) следует
Оэ ““
и/.
(1П.101)
Электродвижущая сила, развиваемая термоэлементом,
£==
di
q42\
Т2) = анэ (7\ - Т2). (Ш.102)
Мощность, развиваемая на внешней нагрузке,
w = аНЭ 1 mr
(III.103)
Из (III.94) коэффициент полезного действия
Я~хог(1 + Т2
анэ^
7^(1 +^г)—
(III.104)
где mr = Я/r, т]к =
цикла Карно. Обычно бруски имеют одинаковую длину = /2
и КПД термоэлемента достигает максимума, когда отношение между
шириной первого и второго брусков удовлетворяет
коэффициент полезного
действия
условию
*1
Ь2
(III.105)
Для термоэлемента Нернста — Эттингсгаузена, как
ного, вводится критерий добротности, зависящий
риала и значения напряженности магнитного поля,
(Q/- + Q2X) в
и для термопар-
от свойств мате-
(III.106)
Если материалы брусков обладают одинаковыми свойствами, то
z
н хр
(III. 107)
Максимальный КПД преобразования достигается при одинако-
вых свойствах материалов: pi —р2, Xi^=x2l Qi ~— 0%*
2
7 _ анэ
108
Кроме оптимизации по геометрическим размерам и свойствам
материалов проводится оптимизация по отношению между внешней
нагрузкой и внутренним сопротивлением термоэлемента
«о = (‘-2/у7'ср)1/2,	(Ш. Ю8)
где Тср = у (7\ + Та). С учетом (III. 106)
. •	Омаке = ПК	(III.109)
1	+ тв
Условие максимальной мощности достигается при mri=: 1:
Т)1=________2*_________•	(ш.1 ю)
Л1 _Л_______2^-4
2	Л 2-Т1К
Для этого случая ток и мощность составляют
Мощность, снимаемая с единицы площади поперечного сечения
термоэлемента,
аНЭ (^1 — ^2^
4(^ + £Ф')(М1 + Мг)
\blCli О2“2 /
(III.112)
Максимальная мощность, отнесенная к единице площади, Ц7дакс
достигается при
6i/62=l/’ei.	(ш.из)
г Рг
Обычно Лмакс отличается от не более чем на 0,1%.
Расчет КПД, как правило, производится для двух режимов
работы термоэлемента — изотермического, соответствующего условию
дТ	л
— ;=0, и адиабатического, при котором предполагается отсутствие
потоков тепла вдоль у. В [72] получены приближенные выражения
для КПД преобразования, справедливые при небольших ZH. Прове-
дены также расчеты КПД с учетом анизотропии кинетических коэф-
фициентов, получены громоздкие выражения, имеющие ограниченное
применение, поэтому в настоящем справочнике они не приводятся.
Читатели, интересующиеся этими расчетами, могут обратиться к пер-
воисточникам [50, 62, 63, 65, 66]. Дополнительные сведения о термо-
элементах Нернста—Эттингсгаузена можно получить в работах [59, 61,
64, 68, 74, 75, 79].
109
2.	Учет температурных зависимостей
свойств материала
Для термоэлемента из материала, электропроводность а (Т), тепло-
проводность % (Г) и постоянная Нернста—Эттингсгаузена Q1- {Т) кото-
рого зависят от температуры (о(Т), х (Т),	(Т) — непрерывные
и ограниченные функции с непрерывными и конечными первыми
производными), максимум КПД преобразования достигается путем
оптимизации сечения в направлении, перпендикулярном тепловому
потоку (рис.Ш.31). Если I const, то задача оптимизации сводится
к определению изменения ширины термоэлемента Ь. Решение нахо-
дится при использовании модели, в которой термоэлемент разбивается
на ряд параллельных слоев таким образом, чтобы в пределах каждого
слоя свойства материала можно
было принять независимыми от тем-
пературы [55]. Предполагается, что
в каждом слое ток течет парал-
лельно границам раздела и разности
потенциалов на концах всех слоев
Рис. III.31. Модель для определе-
ния оптимальной формы термоэле-
мента Нернста — Эттингсгаузена.
одинаковы. Для каждого из слоев производится оптимизация по
условию согласования с внешней нагрузкой путем изменения Ь.
Выражение для оптимального потока энергии при этом имеет вид
т
Qo (Т) = QTt ехр J ZH (Г) [от0 (Г) + 1]~2 dT, (III. 114)
Тя
где QT — поток энергии через грань с температурой Г2
7 m_B2[Q±(T)]2o(T)	Г1 Т7 тл/2
В — индукция магнитного поля, не зависящая от координат. Опти-
мальное изменение геометрических размеров определяется из интег-
рального уравнения
BQX(T) qTi
ba (Т) =------------—т-H-----------х
{L^[l-.ZH(r)7’]1/2}B(7’)x(7’)
т
X ехр
ZH(T)dT
{1 + [1~-Т2я(Г)]1/2}-*
(III.115)
ПО
Для нахождения bQ как функции х необходимо использовать урав-
нение
х0 (Т) -
В1 Г	(Г)
£(?)]	1 + [1_гн(г)]1/2
Т,
В (III.115), (III.116)
C(n=ge^(nTAg7.,.
(III.116)
(III.117)
Решение (III.115), (III.116) при известных о (T), x (T), Qx (Т) нахо-
дится численными методами.
Оптимальная внешняя нагрузка /?0 определяется из выражения
Tt
B£-imJ(/n0+l)-ia(7')Z>0(T)Q1 (Г) dT. (III.118)
^2
Для малых ZH и mQ & 1 формулы (III.115), (III.116) можно
упростить:
QT BQ1- (Г)
т
xa(T)*=^^f^QL(T)dT.	(III.120)
Установлено, что малые отклонения от оптимальной формы
термоэлемента не приводят к существенному изменению КПД.
3.	Многокаскадный термоэлемент
Нернста — Эттингсгаузена
Многокаскадный термоэлемент Нернста — Эттингсгаузена позволяет
получить большее напряжение, чем при использовании однокаскадного.
При последовательном соединении каскадов (рис. II 1.32) развиваемая
термоэлементом ЭДС
N
Е-	£ Eit	(III.121)
f=l
где Ei — ЭДС на концах /-го каскада (М — число каскадов). КПД
многокаскадного термоэлемента [47] определяется из выражения
ГН1-*!/).	(Ш.122)
1=1
где T]z — КПД t-ro каскада. Сравнение одно- и многокаскадных
термоэлементов, изготовленных из одного и того же материала,
111
показывает, что в равных тепловых условиях КПД многокаскадных
генераторов не может превосходить КПД однокаскадных. Наоборот,
тепловые потери в электрической изоляции между каскадами у мно-
гокаскадных генераторов снижают их КПД. У многокаскадных
генераторов максимальные КПД достигаются, если для каждого
каскада использован материал, обеспечивающий максимальный
в интервале температур Д7\ i-го каскада. Кроме того, необходимо
удовлетворить условиям согласования между каскадами по электри-
ческому току и тепловому потоку. При последовательном соединении
каскадов условия равенства оптимальных токов определяются выра-
жением
Qi ATfbf _ Qi &ТгЬг _
pi(l+ m1)'~p2(l + m2)~
. = A7V,W . (III.123)
рдг (1 +
Предполагается, что каждый каскад
находится в одинаковом магнитном
поле. Условие согласования по тепло-
Рис. II 1.32. Многокаскадный термоэле-
мент Нернста — Эттингсгаузена:
1 — нагреватель; 2 — холодильник; 3 ~
электрическая изоляция большой теплопро-
водности (магнитное поле приложено в на-
правлении z).
вому потоку между любыми двумя прилегающими каскадами при-
ближенно записывается так:
Kkbk^ «Hk-^bk^k-}lk-\ _ Пгк_х, (Ш.124)
аь	—1
где k и k — 1 индицируют два любых соседних элемента, rk_x —
внутреннее сопротивление элемента. Для нахождения предельного
максимального значения КПД может быть использована формула
для термоэлемента с бесконечным числом каскадов [47]
т] = I — ехр
Th-(\-ZHT^dT
J 1 + (1-Z„T Т •
Tt
(III.125)
В термоэлементах с конечным числом каскадов КПД меньше рас-
считанного по формуле (III.125).
4.	Спиральные термоэлементы
Нернста — Эттингсгаузена
Для получения необходимых напряжений и согласования термомаг-
нитного элемента с внешней нагрузкой предложена спиральная форма
элементов [55] двух типов: рулонная [73] и в виде винтовой спирали
112
[72]. В первом случае (рис. II 1.33) необходимо применять радиаль-
ное магнитное поле и тепловой поток, направленный вдоль оси спи-
рали, во втором — радиальный тепловой поток и магнитное поле,
направленное вдоль оси винтовой линии (рис. III.34). В обоих слу-
чаях электрическое напряжение снимается с концов спирали. Наибо-
лее благоприятные условия для работы термоэлемента достигаются
при внутреннем b и внешнем а радиусах спирали, удовлетворяющих
условию а — b<^a-{-b. В этом случае расчет КПД преобразования
и развиваемого спиральным элементом напряжения с достаточной
точностью может производиться по формулам для обычных прямо-
Рис. Ш.ЗЗ. Спиральный термоэлемент Нернста — Эттингсгау-
зена рулонного типа.
Рис. II 1.34. Спиральный термоэлемент Нернста — Эттингсгау-
зена с рабочим телом типа винтовой спирали.
угольных элементов, где I — общая длина развернутой спирали,
7*2 — температуры на внутренней и внешней поверхностях спирали.
Коррекция сечения витка спирали, учитывающая изменение пара-
метров материала с изменением температуры, производится-так же,
как и в случае термоэлементов прямоугольной формы. Система интег-
ральных уравнений (III.115), (III.116) в этом случае [55] преобра-
зуется к виду

всх(0 n С zH(T)dT
[тв(П + И£(Пх(7’)Ч^еХР J [me(T)+l]?
т,
1 а
g ь
т
бф С (Т) рлЛ (Т»\ Ат
ЕТГ)}	BQ {r>dT'
Тг
(III.126)
(III.127)
где бф — полный угол поворота спирали (если NQ — число витков
спирали, бф = 2n2V0).
113
§ 9. Короткозамкнутые термоэлементы
продольного типа в магнитном поле
Различают два способа закорачивания термоэлементов в магнитном
поле, приводящие к * возрастанию напряжения и термоэлектрической
добротности. Первый [27] (применяется в эвтектических термоэле-
ментах и термоэлементах Нернста—Эттингсгаузена) сводится к зако-
рачиванию термоЭДС вдоль теплового потока, что приводит к воз-
никновению короткозамкнутого тока и ЭДС Холла. По второму
способу [1] закорачивание производится перпендикулярно тепловому
потоку (рис. III.35). При отсутствии
внешней нагрузки (7?->оо) разность
потенциалов, развиваемая термоэле-
ментом,
Е = (а + Да(В))(Т1-Т2) +
RXBI
а
где Да (В) — изменение термоЭДС в
магнитном поле при r0 = оо, Rx — по-
(III.128)
Рис. II 1.35. Схема закорачивания
термоэлемента перпендикулярно теп-
ловому потоку (7? — сопротивление
нагрузки; г0 — закорачивающее со-
противление).
стоянная Холла, 1 -—ток замыканияЭДСНернста—Эттингсгаузена,
^нэ
го + г«
QX т_2~11ьв
I
го +г«
(III.129)
здесь — сопротивление термоэлемента в магнитном поле. Замыка-
ние Енэ предполагается идеальным: оно соответствует сплошному
токосъему с граней у = 0, у = Ь, однако контакты не шунтируют
ЭДС вдоль х. Такие условия могут быть удовлетворены при исполь-
зовании системы замыкающих проводников, как и в короткозамкну-
том анизотропном термоэлементе. Таким образом,
Е = (Л - Т2)
(а + Да (В)) +
го + ГН
Х=(Т1 — Т2) (а*из +а^-
ЦП.130)
Для полупроводников в области примесной проводимости, слабых
магнитных полей < 1 при параболическом законе дисперсии
и rQ == 0
114
агеом. макс /1 _ Л	,	(Ш.131)
\2	/ е с0
где и — подвижность носителей тока, аг—коэффициент, зависящий
от механизма рассеяния, с0 — скорость света, г — см. табл. 1.3.
_	( иВ Ъ
В условиях сильного магнитного поля I--1 > 1
\ CQ J
МЫ __ Р ___rj ^0 .	(III.132)
Для собственного полупроводника в условиях сильного магнит-
ного поля	,
§ 10. Короткозамкнутые термоэлементы
поперечного типа в магнитном поле.
Эвтектический термоэлемент
При помещении короткозамкнутого термоэлемента, представляющего
собой брусок из изотропного однородного материала (рис. III.24),
в магнитное поле, направленное вдоль z, в направлении х возни-
кает термоэлектродвижущая сила которая является результи-
рующей двух электродвижущих сил — обычной ЭДС Нернста—
Эттингсгаузена и ЭДС Холла:
Янэ ~	>	(Ш.134)
/	.	(III.135)
0
о Id
Таким образом, в условиях короткого замыкания поперечная
термоЭДС
= £нэ + Ех = g Bl - Rxa (7\ - T2) (III. 136)
dT Tt - Ta
так как	----s , to
dy h0 ’
EX = (QJ--Rxaa) b1(Ti-T2).	(III.I37)
Ло
Разновидностью короткозамкнутого термоэлемента является термо-
элемент, выполненный из материалов, содержащих тонкие строго
ориентированные иглообразные включения, обладающие существенно
большей электропроводностью по сравнению с основным веществом.
Типичным примером такого материала является InSb—NiSb. Термоэле-
мент выполняется в виде прямоугольного бруска, две противополож-
ные грани которого приводятся в тепловой контакт с нагревателем
и холодильником (рис. III.36). Ток /0 возникает в термоэлементе
вследствие закорачивания термоЭДС игольчатыми эвтектическими
включениями (рис. III.37).
115
Рис. III.36. Эвтектический термогенератор:
термоэлемент; 2 — нагреватель; 5, 4 — электрическая изоляция; 5 — холо-
дильник.
Рис. II 1.37. Возникновение вихревого термоэлектрического тока
в игольчатом эвтектическом материале [83].
Рис. II 1.38. Ориентация эвтекти-
ческого материала для описания
‘ термоэлемента анизотропными кон-
стантами [83].
Для расчета параметров термо-
элемента можно воспользоваться
методикой, приведенной в работах
.{71, 83, 84]. Суть метода заклю-
чается в том, что реальная неодно-
родная модель материала термоэле-
мента заменяется однородной ани-
зотропной. Компоненты тензоров
кинетических коэффициентов опре-
деляются при соответствующей ори-
ентации вещества относительно ма-
гнитного поля и градиента темпера-
туры (рис. III.38). Матрица, связы-
вающая потоки тепла и электриче-
ства q и j с напряженностью элек-
трического поля $ и градиентом температуры, имеет вид
lsx\		'_1_ a1'		a£	-<2/-Вг		ix	
Sv	=.		1	QtB2 a1		ly	.(III.138)
q*		a'T	-Q-Bzt	——v.lSnB2		дТ /дх	
\qy		<ЦВгТ	alT	х1ЗлВг		дТ/ду	
U6
Для случая короткого замыкания вдоль градиента температуры = 0 матрица преобразуется к виду
&х		1 + о а‘	а£ +	-(<г‘х-^</а£)вг		’ 1 /х 1	*
(S У			0	0	0	0		i у	. (III.139)
Ях ‘		(oJ+R^QfB2\T о	-(хг'-((#Вг)2а£Т)	- (хг5л - а,^о1Т) Вг		дТ дх	
’• 1		1 (Q/--	ВгТ о	(х£Зл - а'(?А</Т) Bz	— (х* + (аг)2 агТ)		дТ ду	
В (III.138), (III.139) о1, а1,	, Rlx, Qf и 5Л — изотермические коэффициенты электропроводности, термоЭДС,
теплопроводности, Холла, Нернста—Эттингсгаузена и Риги—Ледюка. Из (II 1.139) следует равенство
дТ
«x = -(Q/x	(III.140
соответствующее (III. 137).
Переход к однородной анизотропной модели осуществляется путем сопоставления матрицы (III.139)
с матрицей
<20	- е<э	—	1 ахх ухВ^	хуВ2 1	ахх	ух^г QfхуВг	а'уу		/х  h дТ	(III.141)
ях		аххТ	-Qi-xyTB2	~"ххх	~"Ххх5Л ухВ?		дх	
У У		\QhjXTBz	аууГ	*yyS ЛхуВ? н^у		дТ \ду	
Для рассматриваемого случая связь между изотермическими и адиа-
батическими коэффициентами дается выражениями
= _L +	t
°XX аXX *уу	хуВл yxBz)
i _	+ SЛ xyQt хУВ\
1+«Лх/л^ ’
(III.142)
*ХХ
„а
нхх
^Х ху — %Х ху
'Л ху$ Л ух^г
__{ауу + 5Л ух^-а ху^г) (®а ух ахх$Л ух)
*уу (1 + *$л ху$Л ух^г)
п± __ ху ауу$Л ху
I 1 I Q Q д2
1 “Г дЛ ху^Лух^х
Термомагнитная добротность эвтектического материала определяется
по формуле
7Z _ (fit xy^z) вхх
Н~
*УУ
(III.143)
Как следует из (III.143), для эвтектических элементов целе-
сообразно выбирать материалы с большой подвижностью носителей
тока и по возможности малыми значениями теплопроводности. Так,
для InSb короткое замыкание приводит к увеличению добротности
от 2 • 10~6 К”1 до 10~"4 К~х. Некоторое увеличение добротности
материала достигается легированием InSb примесью GaSb в коли-
честве Ga0 Jrig 9Sb. Это приводит к уменьшению теплопроводности
примерно на 50% при неизменных остальных параметрах.
Необходимо иметь в виду, что в пределах рассматриваемой ани-
зотропной модели формула (III.143) не может быть использована
для оптимизации короткозамкнутого материала по числу замыкаю-
щих эвтектических включений, их геометрическим размерам, электро-
проводности, термоЭДС и др.
§ 11.	Магнетотермоэлектрический
термоэлемент
Принцип работы термоэлемента основан на изменении термоЭДС
вещества в магнитном поле. ’ Если часть замкнутой цепи, изготов-
ленной из однородного вещества, поместить в магнитное поле, то
в ней коэффициент термоЭДС изменит свою величину, что приведет
к образованию термоэлектрической пары (рис. II 1.1), т. е. к свое-
образному термопарному элементу. Развиваемая термоэлементом ЭДС,
КПД преобразования и другие параметры магнетотермоэлектричес-
118
кого термоэлемента определяются по обычным формулам термопар-
ного элемента (гл. III, §2), если произвести соответствующие замены
а (Я) = Of, о (0) = о2, а (Я) = aj, а (0) = а2, х (Я) = х1э х (0)=х2.
Вариант термоэлемента описан в работе [38]. Термоэлемент
состоит из незамкнутой петли, часть которой снабжена обмоткой
для образования магнитного поля. Область, прилегающая к грани-
цам раздела намагниченного и ненамагниченного участка, подвер-
гается нагреву, на концах петли возникает термоЭДС.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Агаев fl., Мосанов О., Исмаилов О. Усиление эффекта магнетотермоЭДС
в полупроводниках.—Изв. АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол, наук,
1967, № 6, с. 101—104.
2.	Анатичук Л. /., Димитращук В. Т., Лусте О. fl. Поперечна термо е. р. с
в короткозамкненому кристал! з ашзотропною электропров1дн1стю.— Ф1з
електрон., 1969, 1, вип. 1, с. 46—49.
3.	Анатычук Л И., Димитращук В. Т., Лусте О. fl. Поперечная термоэдс
в короткозамкнутом анизотропном кристалле.—ФТП, 1969,	3, №8,
с. 1257—1259.
4.	Анатычук Л. И., Димитращук В. Т., Лусте О. fl., Разиньков В. В. Метод
определения термоэффективности короткозамкнутого генератора.—Изв.
вузов. Физика, 1971, № 6, с. 149—151.
5.	Анатычук Л. И., Димитращук В. Т., Дусте О. fl., Цыганюк Ю. С. Вихре-
вой термоэлектрический ток в нестационарном температурном поле. Изв.
вузов. Физика, 1972, № 3, с. 23—29.
6.	Анатычук Л. И., Бойко В. И., Лусте О. fl., Разиньков В. В. Поперечная
термоэдс в короткозамкнутых ' кристаллах.— ФТП, 1975,	9,	№ 7,
с. 1410—1413.
7.	Анатичук Л. I. Про перспективи розвитку термоелектрики.— В1сн. АН УРСР,
1975. № 9, с. 30—44.
8.	Бабин В. П., Гудкин Т. С., Дашевский 3. М. и др. Искусственно-анизотроп-
ные термоэлементы и их предельные возможности.— ФТП, 1974, 8, № 4,
с. 748—753.
9.	Бурштейн А. И. Исследование стационарного теплового потока, протекаю-
щего сквозь проводник с током.—ЖТФ, 1957, 27, № 7, с. 1510—1520.
10.	Бурштейн А. И. Об экономичности каскадных термогенераторов.—- ФТТ,
1960, 2, № 10, с. 2505—2508.
И. Бурштейн А. И- Физические основы расчета полупроводниковых термо-
электрических устройств.—М. : Физматгиз, 1962. —135 с.
12.	Гайбназаров М., Малевский Ю. Н. Многокаскадные термоэлементы и методы
их расчета.— В кн.: Преобразователи солнечной энергии на п/п. М.: Наука,
1968, с 25—31.
13.	Геращенко О. А. Основы теплометрии.— Киев: Наук, думка, 1971.—191 с.
14.	Голдсмит Г Применение термоэлектричества.— М. : Физматгиз, 1963.—104 с.
15.	Гордое А. Н. Основы пирометрии.—М.: Металлургия, 1971.— 431 с.
16.	Жвания И А., Максимов М. 3., Тхор Г. А. К теории анизотропных термо-
элементов — ФТП, 1978, 12, № 2, с. 234—238.
17.	Иорданишвили Е К Термоэлектрические источники питания.—»М.: Сов.
радио, 1968 — 183 с.
18.	Иорданишвили Е. К., Стилъбанс Л. С. Каскадные термоэлектрогенера-
торы.— В кн.: Термоэлектрические свойства полупроводников. М.; Л.:
Изд-во АН СССР, 1963, с. 95—102.
19.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы.—М.; Л. : Изд-во АН СССР,
I960.—188 с.
20.	Кирпач Н С., Щеголев Г. М. Термодинамический анализ термомагнитного
генератора Нернста с внутренним теплообменом.— Теплофизика и тепло-
техника. 1973, вып. 25 с. 38—42.
21.	Козлюк В И Термодинамический анализ проницаемых термоэлектрических
нагревателей — Теплофизика и теплотехника, 1973, вып. 25, с. 113—115.
22.	Королюк С Л , Пилат И. М., Самойлович А. Г. и др. Анизотропные термо-'
элементы — ФТП 1973 7, № 4, с. 725—734.
23.	Лусте О fl Вихревые термоэлектрические токи в анизотропных средах:
. Дис. канд физ.-мат. наук.—Черновцы, 1970.— 120 с.
24.	Мальцев Ю. В. О максимальном коэффициенте полезного действия термо-
электрического генератора.—ИФЖ, 1962, 5, Ns 3, с. 113—117.
119
25.	Мойжес Б. Д. Влияние температурной зависимости параметров материалов
на эффективность термоэлектрических генераторов и холодильников.—ФТТ,
1960, 2, № 4, с. 728—737.
26.	Мойжёс Б. flПетров А. В,, Шишкин Ю. П., Коломоец JI. А. О выборе
оптимального режима каскадного термоэлемента.—ЖТФ, 1962, 32, № 4,
с. 461—472.
27.	Мосанов О., Исмаилов О. К увеличению эффективности преобразователей
Нернста—Эттингсгаузена.— Изв. АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол,
наук, 1968, № 4, с. 117—119.
28.	П1нчук 1. /. Вивчення розподму термоелектричного струму по об’ему ан!«
зотропного монокристала.—УФЖ, 1966, 11, № 12, с. 1311—1315.
29.	Пилат И. М., Самойлович А. Г., Анатычук Л. И. А. с. 230915 (СССР).
Термоэлемент.—Опубл. 13.03.69.
30.	Поздняков Б. C.t Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика.*—М.1
Атомиздат, 1974.— 264 с.
31.	Самойлович А. Г. Термодинамика и статическая физика. — M.J Гостехиздат,
1955—368 с.
32.	Самойлович A. Г., Слипченко В. Н. Эдс анизотропного термоэлемента.—
ФТП, 1975, 9, Ха 3, с. 594-596.
33.	Слипченко В. Н. К вопросу о КПД анизотропных термоэлементов.— УФЖ,
1976, 21, № 1, с. 126—131.
34.	Стилъбанс Л. С. О выборе соотношения сечений ветвей полупроводниковых
термоэлементов.—ЖТФ, 1958, 28, № 2, с. 262—263.
35.	Термоэлектрические гене'раторы/А. С. Охотин, А. А. Ефремов, В. С. Охотин,
А. С. Пушкарский.—М. 5 Атомиздат, 1976.— 320 с.
36.	Термоэлектричество.^ В кн. : Энциклопедия металлофизики. 1937, т. 1,
с. 339—365.
37.	Фридмен С. Термоэлектрические генераторы.— В кн.: Прямое преобразова*
ние энергии. М.: Мир, 1969, о. 56—134.
38.	Фридолин Г. Р. Новые источники электрического питания радиоэлектронного
оборудования.— М.: ЦНИИПИ, 1964.— 38 с.
39.	Чанг Ш. Преобразование энергии.—М.« Атомиздат, 1965.—310 с.
40.	Alternkirch Ё. Uber den Nutzeffekt der Thermosaule.—Phys. Z., 1909, 10,
N 16, S. 560-568.
41.	Alternkirch E. Electrotherm isehe Kalteerzeugung und reversible elektrische
Heizung.—Phys. Z., 1911, 12, N 21, S. 920-924.
42.	Anatychuk L. I.t Luste O. J. Пат. 7120866 (Франция). Thermo-element.®*
Опубл. 19.01.73.
43.	Anatychuk L. I.f Dimitracschuk V. T., Luste O. J. Пат. 1336980 (Великобри-
. тания). A thermo-electric element. — Опубл. 14.11.73.
44.	Anatychuk L. /., Dimitracschuk V T.t Luste O. J. Пат. 7209643 (Франция).
Thermo-element.—Опубл. 08.10.73.
45.	Anatychuk L. I., Dimitracschuk V. T., Luste O. J. Пат. 2213925 (ФРГ). Ther-
moelement.—Опубл. 04.10.73.
46.	Anatychuk L. /., Luste O. J. Пат 1335303 (Великобритания). Thermo-element.—
Опубл. 24.10.73.
47.	Angrist S. W. A Nernst effect power generator.— Trans. ASME G, 1963, 85,
N 1, p. 41—48.
48.	Borrego J. M. Approximate analysis of the operation of thermoelectric genera-
tors with temperature dependent parameters.— IEEE Trans. Aerospece and Elect-
ron. Syst., 1964, 2, N 1, p. 4—9.
49.	Borelius G- Grundlagen des metallischen Zustandes.— In: Handbuch der Me-
tallphysik.— Leipzig, 1935, Bd 1, S. 185—485.
50.	Callen H. B. The application of Onsager’s reciprocal relations to thermoelect-
ric, thermomagnetic and galvanomagnetic effects.— Phys. Rev., 1948, 73, N 11,
p. 1349—1358.
51.	Cohen R. W., Abeles B. Efficiency calculations of thermoelectric generators
with temperature varying parameters.— J. Appl. Phys., 1963, 34, N 6,
p. 1687—1688. ..
52.	Diesselhorst H. Uber das Problem eines elektrisch erwarmten Leiters.— Ann.
Phys., 1900, 1,'N 2, S. 312—325.
53.	Domenicaly C. A. Stationary temperature distribution in an electrically heated
conductor.—J. Appl. Phys., 1954, 25, N 10, p. 1310—1311.
54.	Generator (the Nernst); a thermomagnetic energy converter.— Electro-techno-
V logy (USA), 1963, 72, N 1, p. 11—13.
55»	Guthrie G. L. Optimization of the cross-sectional geometry of Nernst-Etting-
shausen devices.— J. Appl. Phys., 1965, 36, N 10, p. 3118—3122.
56.	Gelling L. Le thermocouple recepteur de rayonnement.—Ann. t616commun.,
1950, 5, N 12, p. 417—426.
57.	Gelling L. Пат. 592016 (Франция). Thermoelement.» Опубл. 13.06.50.
120
58.	Gelling, L. Das Thermoelement als Strahlungsmesser.—Z. angew. Phys., 1951,
3, N 12, S. 467—477.
59.	Goldimid H. J. Thermomagnetic energy convertors.—Elec. Rev. (Gr. Brit.),
1965, 176, N 14, p. 514—518.
60.	Harman. T. C. Multiple stage thermoelectric generation of power.— J. Appl.
Phys., 1958, 29, N 10, p. 1471—1473.
61.	Harman T. C., Honig J. M. Operating characteristics of transverse (Nernst)
anisotropic galvano-thermomagnetic generators.— Appl. Phys. Lett., 1962, 1,
N 2, p. 31—32.	•
62.	Harman T. C., Honig J. M. Theory of galvano-thermomagnetic energy conver-
sion devices. 1, Generators.—J. Appl. Phys., 1962, 33, N 11, p. 3178—3188.
63.	Harman T. C.t Honig J. M. Theory of galvano-thermomagnetic energy conver-
sion devices. 3. Generators constructed from anisotropic materials.— J. Appl.
PhyS:, 1963, 34, N 1, p. 189—194.
64.	Harman T. C.t Honig J. M. Operating characteristics of transverse (Nernst)
anisotropic galvano-thermomagnetic generators.—Appl. Phys. Lett., 1963,2,
N 2, p. 44.
65.	Harman T. C., Honig J. M., Tarmy В. M. Theory of galvano-thermomagnetic
energy conversion devices. 5. Devices constructed from anisotropic materials.—
J. Appl. Phys., 1963, 34, N 8, p 2225-2229.
66.	Harman T- C-, Honig J M., Tarmy В. M. Galvano-thermomagnetic pheno-
mena. 4. Application to anisotropic adiabatic Nernst generators.— J. Appl.
Phys., 1963, 34, N 8, p. 2215—2224.
67.	Heikes R. R-, Ure R. W. Thermoelectricity: science and engineering.—New
York: Intercience, 1961.— 575 p.
68.	Honig J. M., Tarmy В. M. Refined treatment of the theory pertaining to ope-
rating-characteristics of anisotropic Nernst—Ettingshausen devices.—J. Appl.
Phys., 1964, 35, N 3, p. 722—723.
69.	Jasti E. Пат. 1076210 (ФРГ). Thermoelektrische Kombination insbesondere
Thermosaule.— Опубл. 15.09.60.
70.	Lukosz W- Geschlossene elektrische Strome in thermoelectrischanisotropen
Kristallen.—Z. Naturforsch., 1964, 19a, N 13, S. 1599—1610.
71.	Muller A., Wilhelm M. Uber den Gerichteten einbau von Schwermetallphasen
in 4’11 fj^-verbindungen.— Phys. Chem. Solid., 1965, 26, N 12, S. 2021—2028.
72.	Norwood M. H. Theory of Nernst generators and refrigerators.— J. Appl. Phys.,
1963, 34, N 3, p. 594—599. -
73.	O'Brien B. J., Wallace C. S. Ettingshausen effect and thermomagnetic coo-
ling.—J. Appl. Phys., 1958, 29, N 7, p. 1010—1012.
74.	Osverle J. E., Angrist S. W. On the choice of coordinates used to describe
thermoelectric and thermomagnetic generators.— Trans. ASME E, 1963, 30,
N 3, p. 426-429.
75.	Report on Nernst effect power generator.—Petrol. Manag., 1962, 34, N 11#
p. 205.
76.	Papet R- M. Remarks on the efficiency of thermoelectric generators.— J. Appl.
Phys., 1948, 19, N 12, p. 1180.
77.	Sherman B., Heikes R. R., Ure R. W. Calculation of efficiency of thermoe-
lectric devices.—J. Appl. Phys., 1960, 31, N 1, p. 1—16.
78.	Swanson B. W., Somers E. V., Heikes R. R. Optimization of a sandwiched
thermoelectric device.—Trans. ASME C, 1961, 83, N 1, p. 77—82.
79.	Tamnea J. E. On the dimensionless performance characteristics of thermomag-
netic devices.—Energy Convers., 1971, 11, N 1,- p. 1—6.
80.	Thomson W. On thermoelectric currents in linear conductors of crystalline
substance.—Math. Phys. Pap.,- 1882, N 1, p. 266—273.
81.	Telkes M. Y. The efficiency of thermoelectric generators. 1.—J. Appl. Phys.,
1947, 18, N 12, p. 1116—1127.
82	Telkes M. Y. Solar thermoelectric generators.—J. Appl. Phys., 1954, 25,
N 6, p. 765—777.
83.	Wagini H., Weiss H. Die galvano- und thermomagnetischen Effecte des
InSb—NiSb Eutektikums.—Solid State Electron., 1935, 8, N 3, p. 241—254.
84.	Wagini H. We thermomagnetische Effektivitat in KurZschlussanordnung.—Solid
State Electron., 1967, 10, N 10, p. 1007—1013.
85.	Wright D. A. Theory of the Nernst—Ettingshausen generator.— Brit. J. Appl
Phys.# 1962. 13, N 12, p. 583— 586.
121
Г л а в a IV. СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ
ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
В УСЛОВИЯХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
И ГАЛЬВАНОМАГНИТНОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ
§ 1. Термопарный элемент
Возможности охлаждения эффектом Пельтье рассмотрены в 1911 г.
Альтенкирхом [78, 79]; были получены соотношения для пара-
метров термоэлектрического холодильника и проанализированы
возможности его применения при использовании в ветвях металлов.
Из анализа вытекала бесперспективность использования термоэлек-
трического охлаждения из-за малой его эффективности. Акад.
А. Ф. Иоффе с сотрудниками [22, 28, 29] разработал теорию энер-
гетических применений термопарных элементов из полупроводниковых
материалов. Этими работами были заложены основы теоретического
исследования и практического использования полупроводниковых
термоэлементов.
1. Простейшая модель [29, 39]
Термоэлемент содержит две ветви п- и p-типа проводимости попереч-
ными сечениями Sf, s2 и длиной I (рис. IV.1). Материал ветвей одно-
роден и изотропен, температурной зависимостью свойств материала
пренебрегается. Спаи, по которым к термоэлементу подводится элек-
трический ток, обычно называемые горячими, термостатированы
при температуре То. Боковые поверхности ветвей термоэлемента
адиабатически изолированы. Если направление тока через термоэле-
мент таково, что на термостатированных спаях тепло Пельтье выде-
ляется, а на противоположных — поглощается, то в термоэлементе
происходит охлаждение.
Расчет простейшей модели производится для одномерного рас-
пределения температуры, стационарных условий, при учете эффекта
Пельтье на спаях и выделении тепла Джоуля в объеме (эффектом
Томсона пренебрегается). Для таких условий можно принять, что
половина тепла Джоуля из ветвей термоэлемента переносится холод-
ным спаям, а половина — горячим. Таким образом, тепло, погло-
щаемое холодным спаем,
Q = -W + y/?r,	(IV.1)
где П — коэффициент Пельтье, г — сопротивление термоэлемента.
Из (IV.1) следует (рис. IV.2) наличие оптимального тока /опт, при
котором достигается наибольшее охлаждение: при меньших токах
теплопоглощение эффектом Пельтье убывает, при больших — возрас-
122
тает роль тепла Джоуля. Холодным спаем поглощается также тепло,
переносимое ветвями термоэлемента от горячих спаев, и Qo — тепло,
генерируемое охлаждаемым объектом или переносимое при тепло-
обмене холодным спаям от окружающей среды. Различают три
основных режима работы термоэлемента: максимального перепада тем-
пературы или максимального охлаждения, максимальной холодопро-
изводительности и максимального холодильного коэффициента, или
максимальной экономичности.*
Режим максимального перепада температуры достигается при
Qo = 0, баланс теплот на холодном спае записывается в виде
к0(Т1)-Т1) = -П/ + ^-1?г,	(IV.2)
Рис. IV.1. Схема охлаждающего термопарного элемента, дейст-
вие которого основано на эффекте Пельтье.
Рис. IV.2. Графики, демонстрирующие зависимость охлажде- -
ния от,тока через термоэлемент:
1 — тепло Джоуля; 2 — поглощенное в спае тепло (эффект Пельтье);
3 — температура холодного спая.
Из (IV.1) и (IV.2) следует
,ОПТ = Д ,	(IV 3)
QMSKC = ГО .	(IV 4)
Максимальный перепад температуры
П2
(Т’о-Л)макс = 2^7>	(IV.5)
где
г =+	, х0 =4(xisi + x2s2),	(IV.6)
\CJ1S1 O2s2/	*
ci и б2 — электропроводности материалов ветвей, %i и х2 — их коэф-
фициенты теплопроводности. Кроме оптимизации по току, из (IV.5)
и (IV.6) определяется соотношение между параметрами материала
* Иногда используют и другие режимы: минимального тока,- промежуточ-
ный, принудительный,- тепловой изоляции [И].
123
и площадями поперечного сечения ветвей, при котором достигается
максимальный перепад температуры.
«2_ = 1/ Xjgj
(IV.7)
а при ветвях термоэлементов различной длины Zj и Z2
fali = l/"	.	(I V.8)
$112	'	^2^2
С учетом (IV.7), (IV.8) выражение (IV.5) приводится к виду
ми4г'г>- (IV-9)
где
(IV.10)
aj и а2 — коэффициенты термоЭДС материалов ветвей.
Температура холодного спая определяется выражением
7^ мин__V I + 2Т 0Z0 — 1
1 1	Z
^0
(IV.11)
При наличии тепловой нагрузки Qo уравнение баланса теплот
(IV.2) принимает вид
(at - a2) ITt — ±-I?r — x0 (To - 7f) - Z?o = 0.	(IV.12)
Из (IV. 12) следует, что режим максимальной холодопроизводитель-
ности, при котором Qo = (?оакс, достигается при удовлетворении усло-
виям (IV.3), (IV.7) или (IV.8). Разность температур в режиме мак-
симальной холодопроизводительности
(7’o-7’i) = (7’o-7’i)MaKc-^0.	(IV-13)
х0
Для описания режима максимальной экономичности вводится
холодильный коэффициент
8 = ^°.	(IV.14)
где
П7 = /2г + (af - а2) (TQ -Т^Г	(IV Л 5)
— электрическая мощность, затрачиваемая в термоэлементе.
Распределение потоков тепла и электричества в термоэлементе на-
глядно представлено энергетической диаграммой [76, 90], приведенной
124
на рис. IV.3. Оптимизация (IV.14) по току, при котором
приводит к выражениям
/опт ______(а1 аг) (То 7\)______
1 т [/1 +O>5Zo(To + T1) - 1] ’
Tj	O,5Zo (То-J-Tf) —То/7\
макс T^-Ti /1 4-0,5Zo(7’o + 7’1) + 1
= р
°макс»
(IV.16)
(IV.17)
Рис. IV.3. Энергетическая диаграмма охлаждающего термопарного
элемента (at=ax — а2) [76].
Рис. IV.4. Зависимость оптимальных значений холодильного коэф-
фициента емакс от разности температур То—Ti при различных
Z (То — 300 К):
/ —Z = 1* Ю—’ К-1; 2 —	2 . 10—« К-1; 3 - Z == 3 . 10-«К4-1 [29].
(IV. 18)
Оптимальное электрические напряжение на термоэлементе
== (ai — аг) (7*0 — Тг)
опт vi+o.szj^ + to -1 •
Из (IV.17) следует, что кроме термоэлектрической добротности Zo
холодильный коэффициент зависит от средней температуры и раз-
ности температур То — 7\. При (То — Tj), стремящемся к (Го—7\)макс,
холодильный коэффициент стремится к нулю. Это естественно,
поскольку (70 —7\)макс достигается при Qo = 0. При(Т0 — 7\),
стремящемся к нулю, емакс непрерывно возрастает. На рис. IV.4'
приведены значения холодильного коэффициента для различных зна-
чений термоэлектрической добротности и перепадов температуры [29].
2.	Влияние отклонения от оптимальных условий
Отклонения от оптимального тока (IV.3) не являются критическими.
Из рис. IV.2 следует, что отступления от оптимального тока вблизи
экстремума не должны существенно изменять значение максимального
125
перепада температуры. Приближенно [39] это изменение опреде-
ляется из
Аймаке _______
А^мако
(IV.19)
где ДТмакс= (То — Л)макс при оптимальном токе /опт, ДТ^=(Т0—7\)
при токе/. Из (IV. 19), в частности, следует, что отклонение от опти-
мального тока на 20% приводит к уменьшению перепада темпера-
туры на 4%.
Не очень большие отклонения от оптимального отношения гео-
метрических размеров (IV.7) могут быть представлены через измене-
ние термоэлектрической добротности [72]:
| AZ| ~ 1 [sa/Si-(s2/Si)onT]
Z 4 s2/sx (s2/s1)onT
(IV .20)
где	— отношение, удовлетворяющее условию (IV.7), s2/si“~
отношение, не соответствующее оптимальному.
При изготовлении охлаждающих элементов применение ветвей
разного сечения связано с определенными неудобствами, поэтому
часто выбирают Sj = s2. Из формулы (IV.20) видно, что такое отступ-
ление не является критическим: у веществ, используемых в термо-
электрических холодильниках, электропроводность обычно может
отличаться .не более чем в 1,5—2 раза, коэффициент теплопровод-
ности — в 1,2 раза, поэтому из (IV.7) (s2/si)onT~ 1,5. При этом
выбор s2/sj ~ 1 согласно (IV.20) приводит к уменьшению термо-
электрической добротности всего на 4%.
3.	Учет контактных и коммутационных потерь
В простейшей модели (рис. IV. 1) пренебрегалось влиянием сопро-
тивления коммутационных пластин и сопротивлениями, возникаю-
щими в местах контакта коммутационных пластин с ветвями термо-
элемента. В ряде случаев коммутационные и контактные сопротив-
ления соизмеримы с сопротивлением ветвей термоэлемента, поэтому
выделение тепла Джоуля в коммутационных пластинах и в контак-
тах необходимо учитывать в общем балансе теплот. Такие тепловы-
деления у холодного спая создают дополнительные тепловые нагрузки,
снижающие перепад температуры и холодильный коэффициент [31,
47, 71, 143].
Влияние контактных сопротивлений. Максимальный перепад тем-
пературы (Qo j= 0) при учете контактного сопротивления гк на хо-
лодном спае [47]
Максимальное снижение температуры
o + wt/i+rrfe-1)
Z
(IV.22)
126
Формулы (IV.21), (IV.22) справедливы при оптимальном токе
юрт = М1Д +	2^о - 1).	(IV.23)
71 а \ г 1 + 2гк/г ]	’
Ток, соответствующий максимальной холодопроизводительности,
г опт /	1	\
<?• г \1 + 2гк/г;’
В режиме максимального холодильного коэффициента оптималь-
ный ток
/опт ___а (Л) — ^1)__
г(1 + ^л+г;лж~1)’
гк' — контактное сопротивление у горячих спаев. Холодильный коэф-
фициент при этом токе
Я - - Ti Nr - T«/Tt
макс — То _ Ti Nr + l
+ 7-7—?А--------• <IV-26)
(1 + 7+7)w+1)
При равных контактных сопротивлениях
у горячих и холодных спаев (гк=хг^) по-
правка, учитывающая и/ влияние [71], мо-
жет быть введена в Z:
Рис. IV.5. Модель тер-
моэлемента, для расче-
та коммутационных
потерь [31].
г г —2.—!—
(IV.27)
Влияние коммутационных сопротивлений. Для их определения
использована модель, приведенная на рис. IV.5. Распределение тока
в ветвях термоэлемента предполагается одномерным. Плотность
тока в пластине [31, 47, 71] при перемещении вдоль х от 0 до /j
линейно возрастает, на участках /х, fa 4- /2 постоянна, а на участ-
ках li + /2, 2/1 + /2 линейно убывает.
127
Тепло Джоуля, выделяющееся в пластине,
[Р /9	\1
4/1+/2	(IV.28)
5ПЛ \ d	/J
где рпл — удельное сопротивление материала пластины, snjI — пло-
щадь поперечного сечения пластины перпендикулярно току. Выра-
жение в квадратных скобках формулы (IV.28) называют приведен-
ным сопротивлением коммутационной пластины. Для определения
параметров охлаждающего элемента с учетом влияния коммутацион-
ных потерь в формулах (IV.21)—(IV.27) необходимо вместо кон-
тактных сопротивлений использовать приведенные сопротивления.
Учет контактных и коммутационных потерь достигается сложением
контактных и приведенных сопротивлений.
4.	Номограммы для приближенного расчета
охлаждающих термоэлементов
Исходными для расчета по номограммам являются электропровод-
ность, теплопроводность и термоЭДС материала, необходимое сниже-
ние температуры ДТ, температура горячих спаев То и холодопро-
изводительность Qo. Параметры материалов п- и р-ветви и их гео-
метрические размеры:	сг2, — а2,	;=/2, Si=;s2.
На номограммах- (рис. IV.6—IV. 15) приведен пример расчета при
— —- а2 — 200 мкВ/K, 1 /Gf = pi = р2 — Ю~3 Ом • см, X
X Ю“? Вт/(см • К), ДТ^=30К, То = 300 К, Qo = 1 Вт. Конечный
результат — отношение геометрических размеров s/Z, оптимальный
гок в различных режимах, холодопроизводительность в режиме
максимального холодильного коэффициента, потребляемая мощность
в различных режимах и влияние контактных сопротивлений — опре-
деляется при последовательном использовании номограмм.
Номограммой 1 определяется термоэлектрическая добротность
материала по удельному сопротивлению, теплопроводности и термо-
ЭДС. Линия 1 построена по значениям на шкалах сопротивления
и теплопроводности. Пересечение линии 1 со вспомогательной линией
образует точку, которая совместно со значением по шкале термо-
ЭДС образует линию 2 для определения добротности.
Номограммой 2 определяется по найденному значению доброт-
ности и заданной температуре охлаждения Tfj=T0— &Т значение
ДТмакс. На рис. IV. 7 приведены два значения ДТмакс, соответствующие
рассчитанному и уменьшенному на 10% значению добротности, учи.
тывающему ориентировочно потери на контактных сопротивлениях-
Номограммой 3 по найденному ДТмакс и заданному ДТ опреде-
ляется холодильный коэффициент при максимальной холодопроизводи-
тельности и максимальный холодильный коэффициент (два режима).
Номограммой 4 определяется общая теплопроводность ветвей
термоэлемента. Линия 1 построена по значениям на шкале холо-
дильного коэффициента 8^ при максимальной холодопроизводитель-
ности QgaKC. Ее пересечение со вспомогательной линией образует
точку, через которую по известным ДТ и Д7"макс проведены линии 2
и 3, пересечение которых со шкалой теплопроводности определяет
128
6ZT
W-6 '2
Рис. IV.6. Номограмма 1 для нахождения термоэлек- Рис. IV.7. Номограмма 2 для определения максималь-
трической добротности Z [15].	ного перепада температуры ДТмакс [15].

Удельное сопротивление, Ом-см
коэффициент Зеебека, мкВ/К
Коэффициент теплопроводности, Вт/см*К
Термоэлектрическая добротность, К
п-п-п
400
s
Холодильный коэффициент
Рис. IV.8. Номограмма 3 для определения холодильных
коэффициентов при максимальной холодопроизводитель-
ности и максимальном холодильном коэффициенте [15]..
Рис. IV.9. Номограмма 4 для определения теплопро-
водности термоэлемента [15].
ISI
*9
Рис. IV.10. Номограмма 5 для нахождения геометри- Рис. IV.И. Номограмма 6 для нахождения сопротив*
ческих размеров термоэлемента [15].	ления термоэлемента [15].
Отношение площади поперечного сечения к длине, см
/
I
I
I
[Hill 11 II |l| l| II I I I Г I | l Illi I IHlflll Г1 11 П|П । | 11 "Г | "1"~рТТ1 IHHII1 I I | |1|1|1| I | I I I |П II |1111П I 11| с/э
ND J^OOO) 4^ ND — 00 Q Д ND g QO О)	CO
о	—
Отношение площади поперечного сечения к длине, см

Г
V
|ТТЧ'1 ГНИ Г“П’1ГГ1Г1Н 1
•U	о	00 О • «ЬО 4^ О 00 О
_О ООО о ’о о о о О
Температура холодного спая, К »
TVI НЮ..............................' I 1 1‘1'ПНН "I I'1 »ч
СЛ 5	4^00
т х	-	' V
Ток, обеспечивающий максимальную холодопроизводительность, А
iqip-pi 1111 I I I I I'lTHm « I 1 I г
“ СП	“Г. сл
Сопротивление, Ом
Ток, обеспечивающий максимальную холодопроизводительность, А
Относительная величина сопротивления спая
Рис. IV.14. Номограмма 9 для нахождения длины	Рис. IV.15. Номограмма 10 для уточнения значений
— термоэлемента, площади поперечного сечения или	термоэлектрической добротности (гк — сопротивление
w диаметра ветви [15].	контакта) [15].
значения х0 для режима максимального холодильного коэффици-
ента и максимальной холодопроизводительности соответственно.
Номограммой 5 по известному коэффициенту теплопроводности
и найденной теплопроводности термоэлемента определяется отноше-
ние геометрических размеров s/l. Величины хи/ задаются допол-
нительно исходя из конструктивных или иных требований.
Номограммой 6 по найденному отношению s/l и известному
удельному сопротивлению материала определяется сопротивление
термоэлемента.
Номограммой 7 определяется ток, обеспечивающий максималь-
ную холодопроизводительность. Линия 1 построена по значениям тер-
моЭДС пары полуэлементов а =	— а2 и заданной температуре спая.
Ее пересечение со вспомогательной линией образует точку, через
которую проходят линии 2 и 2', соответствующие двум режимам
работы. Вторая точка прямых 2, 2' определяется по шкале сопро-
тивления термоэлемента. Пересечение этих линий со шкалой опти-
мального тока определяет его значение.
Номограммой 8 определяется ток, обеспечивающий максималь-
ный холодильный коэффициент. Линия 1 образована значениями ДТ
и ДТмакс. Ее пересечение со вспомогательной линией образует точ-
ку для построения линии 2 совместно со значением на шкале тока
максимальной холодопроизводительности.
Номограммой 9 по заданной площади поперечного сечения оп-
ределяется длина термоэлемента или по заданной длине — площадь
поперечного сечения термоэлемента.
Номограммой 10 при известных сопротивлениях термоэлемента
и сопротивлениях контактов уточняется уменьшение эффективного
значения добротности Z', ранее ориентировочно взятое равным 10%
рассчитанного значения Z. В случае необходимости расчет по но-
мограммам повторяют при уточненных значениях добротности.
На номограмме, в отличие от формул (IV.21) — (IV.27), использо-
вано контактное сопротивление одной ветви,' т. е. 0,5/*к.
Номограммы для инженерного расчета термоэлектрических ох-
лаждающих устройств приведены в работах [42, 62].
5.	Учет теплообмена на спаях
В упрощенных расчетах предполагаются известными температуры
горячего и холодного спаев термоэлемента. В реальных условиях
чаще всего известны температуры сред, окружающих горячий и
холодный спаи, температуры самих спаев зависят от теплообмена
со средами. Учет теплообмена существенно усложняет задачу orfpe-
деления как максимального холодильного коэффициента, так и оп-
тимальных параметров конструкции термоэлемента.
Найдены выражения для холодильных коэффициентов [14, 35,
44, 47, 50] и предложена методика расчета холодильников с учетом
теплообмена [3, 4]. Для удобства расчетов [33, 34] введены безраз-
мерные комплексы. Выражение для холодильного коэффициента
в безразмерных комплексах записывается в виде
е = -	«*-Р*(е*у+П
(e*v+1)(а+l)P* + vaP*+1 ’	U ’
134
где
* —	~ v‘2/2 ~~
е ‘	vA0' + v2	’
АаСГ)//2Утэ	1
v —----£---------безразмерная плотность тока р* , Bi s=
XqS	Di
=	— критерий Био (безразмерная длина термоэлемента),
х0 ,
= ао/а1 — отношение теплоотдачи на горячих спаях к теплоотдаче
на холодных,	— безразмерная температура охлаждаемой
среды, А0' =iZ (Т'	безразмерный перепад температуры меж-
ду средами, Z — термоэлектрическая добротность, Даср^=—— —
средний коэффициент термоЭДС материалов ветвей термопары,
Л^тэ—количество термоэлементов (если используется термобатарея),
х0 =	, ms — s1/s2j s—площадь термобатареи, а/, a'Q —
1 “г ms
коэффициенты теплоотдачи, приведенные к площади термобатареи
на холодных и горячих спаях (коэффициентами учитываются все
тепловые потери при переносе тепла от холодных и горячих спаев,
наличие радиаторов и" др.), Qo — тепло, поглощаемое на холодных
спаях. Безразмерная холодопроизводительность с единицы площади
Ks ———zp-,;- и безразмерная холодопроизводительность
aos к1 о 11 )
О х
с единицы объема Kv = ———-- °,	определяются по фор-
(а0) v (1 о — 1 j)
мулам
_ v3P* - у2 (2Р* + 20/р* + 1) + 2ув; - 2Д0'
S~2A01'[—у2ар* + у(а-1) + (а+1-|-1/Р*)]’	1	’
_v3P*-y2(2p* + 201'p*+l) + 2y01'-2A0'	„
~ 2Д07-------------------------------------’	(IV-3i>
-р5г-[-У2ар* + у (а - 1) + (а + 1 + 1/Р*)]
где v si. Разработана методика расчета для трех случаев.
А. Заданы: холодопроизводительность, температуры охлажда-
емых и теплоотводящих сред, коэффициенты теплоотдачи и длина
термоэлементов. Необходимо найти площадь термобатареи и ток
питания/ при которых достигается максимальный холодильный коэф-
фициент. Решение находится в такой последовательности:
определяются 0*, 0/, А0' по известным параметрам материалов
и заданным Т[ и АТ';
рассчитываются vj, vj и Р*акс по формулам

А0'
]/Т + 0; + д0'/2-1
/ _ 2Д0' \ 4 (Д0')2
_ гдв' у ~ (в;)2/ (О/)2
0' ’’	,	6Л0'
4(0;+1)_^р..
(IV.32)
(IV.33)
135
(в формуле (IV.33) с достаточной степенью точности можно исполь-
зовать только первый член, а второй отбросить),
*(О/)2 — 2Д0'
МЯКС лп-L/n'i м	6Д0'
Д0' р (©i + l)-q~t
(IV.34)
определяется оптимальная безразмерная плотность тока
(IV.35)
Рмакс
определяется критерий Ks по формуле (IV.30);
определяется оптимальная площадь термобатареи
тЫ>	(IV.36)
определяется ток питания термобатареи при заданном количестве
термоэлементов 2УТЭ (или определенном при заданной площади одного
элемента и известной площади термобатареи)
/ = v°x°s
АаСр^тэ’
(IV.37)
по формуле (IV.29) определяется максимальный холодильный
коэффициент.
Б. Заданы: холодопроизводительность, температуры окружаю-
щих сред, коэффициенты теплоотдачи, площадь термобатареи.
Необходимо определить длину термоэлементов и ток питания, обес-
печивающие максимальный холодильный коэффициент. Последова-
тельность решения такова:
по заданным исходным данным определяется /fs;
по табл. IV. 1 для рассчитанного Ks определяется 0*, v0, емакс>
по найденному 0* определяется оптимальная длина термоэле-
мента
(iv.38)
«о₽о
по количеству термоэлементов в батарее или площади одного
элемента из (IV.37) определяется оптимальный ток.
В. Заданы: холодопроизводительность термоэлемента, темпера-
туры сред, коэффициенты теплоотдачи и объем (масса) полупро-
водникового материала. Необходимо определить длину термоэлемен-
тов и оптимальный ток, при которых достигается максимальный
холодильный коэффициент. Решается следующим образом:
по заданным исходным данным определяется
по табл. IV.1 для рассчитанного Kv определяются 0*, v0,
емакс’
оптимальная длина I определяется по формуле (IV.38);
из (IV.37) по количеству термоэлементов в батарее или площади
одного элемента определяется оптимальный ток.
136
Т а б л и ц а IV.1
Оптимальные параметры термобатарей в зависимости от холодо-
производительности на единицу площади и единицу объема
ks		'’о	^макс	kv	₽0	^0	8 макс
	0/	=0,5	Д0'	=0,02	а	=5	
0,010	0,010	0,0931	1,954	0,005	0,068	0,1191	1,214
0,020	0,018	0,0989	1,808	0,010	0,098	0,1291	1,978
0,030	0,026	0,1048	1,677	0,015	0,124	0,1361	0,831
0,040	0,034	0,1108	1,558	0,020	0,146	.0,1416	0,725
0,050	0,041	0,1169	1,450	0,030	0,189	0,1500	0,575
0,100	0,071	0,1491	1,025	0,040	0,230	0,1565	0,470
0,150	0,098	0,1854	0,725	0,050	0,272	0,1620	0,389
0,200	0,126	0,2295	0,489	0,060	0,317	0,1669	0,323
0,250	0,177	0,3088	0,241	0,070	0,366	0,1715	0,266
	©1	=0,5	Д0'=О,О2		б	t=10	
0,010	0,009	0,0976	1,839	0,005	0,071	0,1361	0,837
0,020	0,017	0,1080	1,611	0,010	0,108	0,1489	0,598
0,030	0,024	0,1186	1,420	0,015	0,142	0,1570	0,465
0,040	0,031	0,1293	1,258	0,020	0,174	0,1629	0,376
0,050	0,037	0,1403	1,118	0,030	0,243	0,1717	0,259
0,100	0,065	0,2000	0,628	0,040	0,321	0,1784	0,182
0,150	0,102	0,2782	0,309	0,050	0,427	0,1848	0,118
	0/	=0,5	Д6	>'=0,02	б	1=15	
0,010	0,009	0,1021	1,734	0,005	0,076	0,1487	0,603
0,020	0,016	0,1171	1,444	0,010	0,122	0,1620	0,309
0,030	0,023	0,1324 .	1,215	0,015	0,167	0,1697	0,281
0,040	0,029	0,1481	1,030	0,020	0,214	0,1753	0,212
0,050	0,034	0,1641	0,877	0,030	0,327	0,1835	0,123
0,100	0,066	0,2555	0,377	—	—	—	—
-	е;	=0,5 "	Д0'=О,О2		с	1=20	
0,01	0,009	0,1066	1,639	0,005	0,083	0,1582	0,449
0,02	0,016	0,1263	1,300	0,010	0,139	0,1708	0,267
0,03	0,022	0,1464	1,048	0,015	0,199	0,1779	0,185
0,04	0,027	0,1670	0,852	0,020	0,266	0,1829	0,120
0,05	0,033	0,1884	0,695	0,030	0,491	0,1924	0,049
	о;	=0,5	Д0	>'=0,04	а=5		
0,01	0,013	0,1845	0,761	0,005	0,087	0,2293	0,396
0,02	0,025	0,1978	0,675	0,010	0,137	0,2473	0,273
0,03	0,036	0,2118	0,597	0,015	0,190	0,2611	0,190
0,04	0,048	0,2268	0,524	0,020	0,267	0,2765	0,113
0,05	0,060	0,2429	0,456	—	—	—	—
137
Продолжение табл. IV. 1
ks		vo	емакс	kv		* Ро		6 макс
	0:	i'=0,5	Д0'=О,О4				а=10	
0,01	0,012	0,1936	0,700	0,005		0,102	0,2494	0,240
0,02	0,024	0,2167	0,569	0,010		0,187	0,2692	0,121
0,03	0,037	0,2414	0,458	—		—	—	—
0,04	0,050	0,2688	0,359	—		—	—	—
0,05	0,067	0,3013	0,266	—		—	—	—
	03	t=0,5	Д0'=О,О4				а= 15	
0,01	0,012	0,2028	0,643	0,005		0,123	0,2618	0,150
0,02	0,024	0,2359	0,479	—		—	—	—
0,03	0,038	0,2723	0,345	—		—	—	—
0,04	0,057	0,3162	0,227	—		—	—	—
		[=0,5	Д0	'=0,04		а	=20	
0,01	0,012	0,2120	0,592	0,005		0,149	0,2700	0,094
0,02	0,025	0,2554	0,401	—		—	—	—_
0,03	0,042	0,3053	0,251	—		—	—	—
	0{=О,5		Д0'=О,О6				(7=5	
0,01	0,018	0,2757	0,359	0,005		0,141	0,3415	0,102
0,02	0,037	0,3015	0,285	—		—	—	—
0,03	0,062	0,3349	0,208	—		—	—	—
	01	=0,5	Д0'=О,О6			t	2= 15	
0,01 1	, 0,019 |	I 0,3046 |	I 0,274 1					
0,02 |	0,055 1	1 0,3774 1	1 0,124 1					
	0,	'=0,5	№	)'=0,06			я=20	
o,oi ;	0,020	| 0,3196	| 0,236	1 - 1		- 1	—	1 -
	©;=о,5		Д0'=О,О8				7=5	
0,01 |	0,032	j 0,3740	| 0,146	1 — 1		—	1		
	©1	=0,5	Д0/=О,О8			1	7=10	
0,01 |	0,04 |	0,4011 ,	| 0,101	1 - 1				—
	0/=1		Д0'=О,О2				7=5	
0,01	0,007	0,0508	7,716	0,005		0,055	0,0678	4,987
0,02	0,013	0,0538	7,261	0,010		0,076	0,0746	4,162
0,03	0,019	0,0568	6,853	0,015		0,093	0,0794	3,655
0,04	0,024	0,0598	6,484	0,020		0,107	0,0832	3,293
0,05	0,029	0,0627	6,149	0,030		0,132	0,0891	2,789
0,10	0,048	0,0778	4,850	0,040		0,154	0,0937	2,443
0,15	0,062	0,0932	3,960	0,050		0,174	0,0974	2,184
0,20	0,072	0,1089	3,312	0,060		0,193	0,1006	1,980
0,25	0,080	0,1248	2,818	—		—	—	—
138
Продолжение табл. IV.1
ks	р* 0	ъ	£макс	kv			емакс
0,30	0,088	0,1412	2,430								
0,35	0,094	0,1579	2,116	—	—	—	—
0,40	0,099	0,1751	1,857	—	—	—	—
0,45	0,105	0,1927	1,639	—	—	—	—
0,50	0,110	0,2109	1,453	—	—	—	—
	0	1=1	Д0	'=0,02	с	х=10	
0,01	0,007	0,0532	7,339	0,005	0,053	0,0815	3,541
0,02	0,012	0,0586	6,613	0,010	0,075	0,0920	2,689
0,03	0,017	0,0641	6,007	0,015	0,094	0,0991	2,220
0,04	0,021	0,0695	5,493	0,020	0,110	0,1046	1,909
0,05	0,025	0,0750	5,052	0,030	0,139	0,1127	1,507
0,10	0,038	0,1026	3,540	0,040	0,166	0,1186	1,252
0,15	0,047	0,1310	2,654	0,050	0,192	0,1232	1,071
0,20	0,053	0,1601	2,071	0,060	0,218	0,1269	0,935
0,25	0,059	0,1901	1,658	0,070	0,243	0,1300	0,828
0,30	0,065	0,2211	1,349	0,100	0,319	0,1268	0,608
0,35	0,070	0,2534	1,109	0,200	0,610	0,1469	0,279
0,40	0,075	0,2871	0,916	0,300	1,093	0,1502	0,121
0,45	0,081	0,3228	0,756	—	—	—	—
0,50	0,088	0,3611	0,621	—	—	—	—
	0	1 = 1	Д0'=О,О2		1	7^15	
0,01	0,007	0,0557	6,995	0,005	0,053	0,0934	2,637
0,02	0,012	0,0635	6,063	0,010	0,077	'0,1064	1,870
0,03	0,016	0,0714	5,332	0,015	0,097	0,1148	1,478
0,04	0,019	0,0793	4,744	0,020	0,115	0,1209	1,230
0,05	0,022	0,0872	4,260	0,030	0,152	0,1296	0,925
0,10	0,032	0,1277	2,734	0,040	0,186	0,1355	0,740
0,15	0,039	0,1694	1,924	0,050	0,221	0,1398	0,614
0,20	0,044	0,2126	1,421	0,060	0,255	0,1430	0,521
0,25	0,050	0,2576	1,076	0,070	0,290	0,1456	0,450
					—	0,100	0,403	0,Г505	0,308
—	—	—	—	0,200	0,960	0,1548	0,099
	0;=i		Д©'=0,02			а=20	
0,01	0,006	0,0581	6,679	0,005	0,054	0,1038	2,035
0,02	0,011	0,0684	5,590	0,010	0,080	0,1183	1,367
0,03	0,014	0,0787	4,782	0,015	0,103	0,1272	1,046
0,04	0,017	0,0891	4,158	0,020	0,126	0,1333	0,085
0,05	0,019	0,0996	3,662	0,030	0,169	0,1415	0,615
0,10	0,028	0,1530	2,187	0,040	0,212	0,1466	0,478
0,15	0,034	0,2085	1,457	0,050	0,256	0,1502	0,386
0,20	0,039	0,2665	1,020	0,060	0,°02	0,1526	0,321
0,25	0,046	0,3280	0,726	0,070	0,550	0,1544	0,271
0,30	0,054	' 0,3947	0,512	0,100	0,511	Д1572	0,173
0,35	0,066	0,4710	0,345	—	—	—	—
139
Продолжение табл. IV.1
ks	* ₽0	%	емакс	kv	*	ъ	8 макс
	0:	1=1	Д0'=О,О4			а=5	
0,01	0,008	0,1010	3,670	0,005	0,058	 0,1334	2,295
0,02	0,014	0,1070	3,431	0,010	0,082	0,1460	1,880
0,03	0,021	0,1131	3,217	0,015	0,101	0,1547	1,625
0,04	0,026	0,1193	3,023	0,020	0,118	0,1614	1,444
0,05	0,031	0,1255	2,847	0,030	0,148	0,1718	1,191
0,10	0,053	0,1572	2,163	0,040	0,176	0,1798	1,018
0,15	0,069	0,1904	1,693	0,050	0,202	0,1862	0,888
0,20	0,032	0,2254	1,348	0,060	0,227	0,1916	0,785
0,25	0,095	0,2627	1,083	0,070	0,253	0,1963	0,701
0,30	0,106	0,3029	0,871	0,100	0,329	0,2075	0,518
0,35	0,118	0,3474	0,694	0,200	0,681	0,2350	0,179
0,40	0,131	0,3988	0,541	—	_-		—
0,45	0,148	0,4639	0,398-	—	-Г-	—	—
	03	1=1	Д(	Э'^0,04		tz= 10	
0,01	0,007	0,1058	3,475	0,005	0,058	0,1569	1,592
0,02	0,013	0,1168	3,096	0,010	0,085	0,1743	1,173
0,03	0,019	0,1279	2,780 -	0,015	0,108	0,1856	0,944
0,04	0,023	0,1390	2,512	0,020	0,130	0,1938	0,792
0,05	0,027	0,1503	2,282	0,030	0,171	0,2056	0,597
0,10	0,044	0,2087	1,491	0,040	0,212	0,2139	0,473
0,15	0,057	0,2710	1,023	0,050	0,253	0,2202	0,385
0,20	0,069	0,3392	0,710	0,060	0,297	0,2252	0,319
0,25	0,085	0,4177	0,479	0,070	0,343	0,2295	0,266
0,30	0,110	0,5234	0,283	0,100	0,512	0,2399	0,152
	03	М	Д0'=О,О4		а=15		
0,01	0,007	0,1110	3,297	0,005	0,060	0,1757	1,160
0,02	0,013	0,1266	2,813	0,010	0,091	0,1951	0,788
0,03	0,017	0,1427	2,433	0,015	0,120	0,2066	0,601
0,04	0,021	0,1589	2,126	0,020	0,148	0,2146	0,482
0,05	0,024	0,1754	1,874	0,030	0,204	0,2253	0,339
0,10	0,039	0,2614	1,076	0,040	0,264	0,2323	0,252
0,15	0,052	0,3560	0,646	0,050	0,329	0,2374	0,192
0,20	0,071	0,4685	0,365 .	0,060	0,403	0,2416	0,147
— ;	—	—	—	0,070	0,492	0,2454	0,110
	0		'Д0'=О,О4			а=20	
0,01	0,007	0,1156	3,134	0,005	0,063	0,1907	0,876
0,02	0,012	0,1364	2,569	0,010	0,100	0,2102	0,558
0,03	0,016	0,1576	2,149	0,015	0,135	0,2210	0,407
0,04	0,019	0,1790	1,824	0,020	0,171	0,2281	0,316
0,05	0,022	0,2008	1,566	0,030	0,246	0,2370	0,208
0,10	0,036	0,3157	0,795	0,040	0,331	0,2427	0,144
0,15	0,197	0,8168	0,032	0,050	0,433	0,2470	0,101
—	—	—	—	0,060	0,576	0,2514	0,065
140
Продолжение табл. IV.1
ks		ъ	емакс		kv	₽0	Vo	6 макс
0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,100 0,150 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,10 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,10 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,100 0,150 0,200	0 0,007 0,015 0,022 0,028 0,034 0,058 0,079 0,098 0,120 0,157 0,008 0,014 0,020 0,026 0,030 0,052 0,074 0з 0,007 0,014 0,019 0,024 0,028 0,050 0з 0,007 0,013 0,018 0,022 0,026 0,176 0i 0,009 0,016 0,024 0,031 0,037 0,066 0,094 0,133	i'=l 0,1515 0,1598 0,1692 0,1788 0,1885 0,2391 0,2944 0,3570 0,4335 0,5612 ' = 1 0,1577 0,1752 0,1915 0,2088 0,2264 0,3205 0,4313 '=1 0,1650 0,1893 0,2140 0,2393 0,2651 0,4070 '=1 0,1724 0,2042 0,2367 0,2701 0,3044 0,8082 М 0,1993 0,2121 0,2251 0,2384 0,2519 0,3249 0,4122 0,5436	Д( 2,321 2,154 2,003 1,868 1,744 1,263 0,927 0,674 0,468 0,256 Д0' 2,186 1,923 1,703 1,517 1,356 0,800 0,459 Д€ 2,064 1,728 1,464 1,251 1,076 0,512 Д0 1,952 1,560 1,269 1,044 0,864 0,036 Д(Е 1,645 1,514 1,396 1,288 1,190 0,8051 0,528 0,285	У У. г t У 9	=0,06 0,005 0,010 0,015 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,100 =0,06 0,005 0,010 0,015 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 =0,06 0,005 0,010 0,015 0,020 0,030 0,040 =0,06 0,005 0,010 0,015 0,020 0,030 =0,08 0,005 0,010 0,015 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060	1 0,061 0,088 0,110 0,130 0,167 0,203 0,238 0,274 0,313 0,460 а 0,064 0,096 0,126 0,154 0,212 0,276 0,351 0,458 0,068 0,108 0,147 0,188 0,279 0,404 0,074 0,123 0;175 0,231 0,378 0,065 0,095 0,121 0,145 0,192 0,240 0,295 0,366	2=5 0,1969 0,2145 0,2265 0,2358 . 0,2500 0,2609 0,2699 0,2777 0,2848 0,3065 = 10 0,2271 0,2493 0,2631 0,2732 0,2876 0,2985 0,3081 0,3192 (2=15 0,2495 0,2722 0,2853 0,2944 0,3077 0,3197 а=20 0,2660 0,2874 0,2992 0,3073 0,3209 2=5 0,2584 0,2804 0,2954 0,3071 0,3254 0,3403 0,3542 0,3699	1,399 1,121 0,950 0,828 0,659 0,541 0,453 0,382 0,322 0,178 0,945 0,671 0,521 0,423 0,295 0,213 0,152 0,098 0,671 0,433 ' 0,313 0,238 0,145 0,084 0,494 0,294 0,200 0,142 0,071 0,952 0,741 0,612 0,520 0,390 0,298 0,225 0,158
141
Продолжение табл. IV.1
ks	* ₽0		емакс		₽0		емакс
	01	= 1	Д0	'=0,08	1	1=10	
0,010	0,008	0,2091	1,542	0,005	0,070	0,2930	0,624
0,020	0,016	0,2319	1,336	0,010	0,109	0,3186	0,422
0,030	0,022	0,2552	1,164	0,015	0,147	0,3347	0,312
0,040	0,028	0,2792	1,017	0,020	0,186	0,3468	0,239
0,050	0,034	0,3039	0,890	0,030	0,277	0,3668	0,141
0,100	0,065	0,4442	0,442	—	—	—	—-
	0'=1		Л0	'=0,08	(	1=15	
0,010	0,008	0,2189	1,447	0,005	0,077	0,3168	0,430
0,020	0,015	0,2518	1,1856	0,010	0,129	0,3417	0,258
0,030	0,021	0,2858	0,979	0,015	0,184	0,3569	0,172
0,040	0,027	0,3209	0,812	0,020	0,247	0,3691	0,116
0,050	0,033	0,3574	0,673	—	—	—	—
0,100	0,142	0,7524	0,069	—	—	—	—
	©1		Д0	'=0,08	(	1=20	
0,010	0,008	0,2287	1,361	0,005	0,086	0,3333	0,308
0,020	0,014	0,2719	1,055	0,010	0,153	0,3564	0,166
0,030	0,020	0,3167	0,828	0,015	0,232	0,3712	0,098
0,040	0,026	0,3635	0,651	0,020	0,352	0,3875	0,050
0,050	0,033	0,4128	0,508	—	—	—	—
	0,	l'=1	Д0';	=0,1	а=5		
0,010	0,009	0,2476	1,241	0,005	’ 0,070	0,3183	0,684
0,020	0,018	0,2641	1,130	0,010	0,104	0,3445	0,514 .
0,030	0,026	0,2810	1,030	0,015	0,135	0,3626	0,409
0,040	0,033	0,2984	0,939	0,020	0,165	0,3771	0,333
0,050	0,041	0,3164	0,856	0,030	0,229	0,4019	0,223
0,100	0,076	0,4183	0,523	0,040	0,320	0,4301	0,129
0,150	0,128	0,5843	0,239	—	—	—	— -
	03	'=1	Д0'	=0,1	а=	= 10	
0,010	0,009	0,2599	1,1556	0,005	0,077	0,3553	0,433
0,020	0,017	0,2891	0,983	0,010	0,126	0,3841	0,274
0,030	0,025	0,3193	0,839	0,015	0,176	0,4034	0,186
* 0,040	0,032	0,3507	0,715	0,020	0,236	0,4205	0,124
0,050	0,039	0,3837	0,608	—	—	—	—
0,100	0,143	0,7393	0,089	—	—	—	—
	0’		Д0	'—0,1	а-	= 15	
0,010	0,009	0,2722	1,077	0,005	0,088	0,3791	0,288
0,020	0,017	0,3143	0,859	0,010	0,156	0,4071	0,155
0,030	0,024	0,3583	0,686	0,015	0,243	0,4286	0,084
0,040	0,031	0,4047	0,545			—	—	—
0,050	0,040	0,4547	0,427	—	—	—	—
142
Продолжение табл. IVЛ
ks		*0	емакс	kv	Ро*		емакс
	0	1=1	д©	'=0,1		а=20	
0,010	0,009	0,2846	1,006	0,005	0,101	0,3951	0,198
0,020	0,016	0,3398	0,752	0,010	0,196	0,4226	0,089
0,030	0,024	0,3982	0,561	—	—	—	—
0,040	0,032	0,4610	0,411	—	—	—	—
	6	1=1,5	де	Г=0,02			
0,010	0,006	0,0363	15,587	0,005	0,050	0,0495	9,954
0,020	0,012	0,0383	14,709	0,010	0,069	0,0547	8,306
0,030	0,017	0,0404	13,921	0,015	0,084	0,0583	7,303
0,040	0,021	0,0425	13,209	0,020	0,096	0,0615	6,591
0,050	0,025	0,0446	12,563	0,030	0,117	0,0661	5,609
0,100	0,041	0,0552	10,058	0,040	0,135	0,0697	4,938
0,150	0,052	0,0658	8,344	0,050	0,152	0,0727	4,440
0,200	0,061	0,0765	7,097	0,060	0,168	0,0753	4,049
0,250	0,067	0,0874	6,149	0,070	0,182	0,0775	3,731
0,300	0,073	0,0983	- 5,404	0,100	0,223	0,0829	3,046
0,350	0,077	0,1093	4,803	0,200	0,342	0,0936	1,926
0,400	0,081	0,1205	4,307	0,300	0,455	0,0994	1,403
0,450	0,084	0,1318	3,892	0,400	0,569	0,1029	1,089
0,500	0,087	0,1431	3,539	0,500	0,690	0,1052	0,874
	01	Г=1,5	Д0	'=0,02		а=10	
0,010	0,006	0,0380	14,854	0,005	0,048	0,0605	7,032
0,020	0,011	0,04 Ь8	13,448	0,010	0,066	0,0691	5,355
0,030	0,015	0,0457	12,274	0,015	0,081	0,0750	4,442
0,040	0,018	0,0491	11,280	0,02Q	0,094	0,0796	3,839
0,050	0,021	0,0533	10,426	0,030	0,117	0,0866	3,066
0,100	0,032	0,0727	7,500	0,040	0,138	0,0919	2,576
0,150	0,039	0,0922	5,788	0,050	0,157	0,0961	2,232
0,200	0,043	0,1121	4,664	0,060	0,176	0,0995	1,973
0,250	0,047	0,1321	3,869	0,070	0,194	0,1024	1,769
0,300	0,050	0,1525	3,378	0,100	0,246	0,1089	1,354
0,350	0,053	0,1731	2,820	0,200	0,420	0,1192	0,741
0,400	0,055	0,1940	2,455	0,300	0,612	0,1224	0,484
0,450	0,057	0,2153	2,157	0,400	0,838	0,1226	0,336
—	—	—	—	0,500	1,122	0,1212	0,237
	01	' = 1,5	Д0	'=0,02		а= 15	
0,010	0,006	0,0398	14,185	0,005	0,047	0,0705	5,229
—	—	—	—	0,010	0,066	0,0816	3,735
				—	—	0,015	0,082	0,0891	2,978
		—	—	—	0,020	0,096	0,0948	2,501
—	—					0,030	0,122	0,1030	1,916
—	—	—			0,040	0,146	0,1089	1,562
—	—	—	—	0,050	0,170	0,1133	1,321
143
Продолжение табл. IV. 1
ks		*0	емакс:	kv	₽*0	v0	8макс
								0,060	0,193	0,1168	1,144
—	—	—	—	0,070	0,215	0,1196	1,009
——	—	—	—	0,100	0,284	0,1252	0,739
—	—	—	—	0,200	0,538	0,1310	0,363
—	—	—	——	0,300	0,861	0,1294	0,213
—	—	—	—	0,400	1,340	0,1248	0,124
		[ = 1,5	Д0'=О,О2		i	2=20	
0,010	0,005	0,0415	13,570	0,005	0,046	0,0796	4,040
—	—	—	—	0,010	0,067	0,0927	2,749
—	—	—	—	0,015	0,084	0,1011	2,129
—	—	—	—	0,020	0,100	0,1073	1,750
—	—	—	——	0,030	0,130	0,1159	1,301
—-		—	—	0,040	- 0,158	0,1216	1,037
——		—	—	0,050	0,187	0,1257	0,862
—		—	—	0,060	0,215	0,1288	0,735
—	—	—	—	0,070	0,244	0,1310	0,639
—	—	—	—	0,100	0,334	0,1349	0,453
—	—	—	—	0,200	0,693	0,1352	0,202 •
		Г=1,5	Д6	►'=0,04	а=5		
0,010	0,006	0,0723	7,622	0,005	0,051	0,0981	4,784
0,020	0,011	0,0765	7,171	0,010	0,071	0,1081	3,955
0,030	0,017	0,0807	6,766	0,015	0,087	0,1152	3,452
0,040	0,022	0,0849	6,399	0,020	0,101	0,1207	3,094
0,050	0,026	0,0893	6,068	0,030	0,124	0,1293	2,602
0,100	0,043	0,1108	4,779	0,040	0,145	0,1359	2,226
0,150	0,055	0,1328	3,897	0,050	0,164	0,1412	2,017
0,200	0,064	0,1552	3,255	0,060	0,182	0,1457	1,821
0,250	0,072	0,1781	2,766	0,070	0,200	0,1496	1,663
0,300	0,078	0,2016	2,381	0,100	0,249	0,1587	1,320
0,350	0,084	0,2256	2,069	0,200	0,409	0,1757	0,758
0,400	0,089	0,2502	1,813	0,300	0,587	0,1843	0,491
0,450	0,094	0,2756	1,596	0,400	0,800	0,1896	0,319
0,500	0,099	0,3018	1,412	0,500	1,173	0,1950	0,170
	01 = 1,5		Д<9	►'=0,04	л=10		
0,010	0,006	0,0757	7,248	0,005	0,050	0,1183	3,337
0,020	0,011	0,0834	6,527	0,010	0,071	0,1336	2,504
0,030	0,015	0,0911	5,925	0,015	0,088	0,1439-	2,052
0,040	0,019	0,0989	5,416	0,020	0,103	0,1516	1,754
0,050	0,022	0,1067	4,978	0,030	0,132	0,1628	1,373
0,100	0,034	0,1463	3,477	0,040	0,158	0,1708	1,132
0,150	0,042	0,1869	2,598	0,050	0,184	0,1769	0,963
0,200	0,048	0,2288	2,020	0,060	0,209	0,1818	0,837
0,250	0,053	0,2720	1,611	0,070	0,234	0,1857	0,738
144
Продолжение табл. IV. 1
ks	0*0	ъ	£макс	ky	₽*0		емакс
0,300	0,058	0,31§9	1,304	0,100	0,311	0,1939	0,535
0,350	0,063	0,3636	1,066	0,200	0,618	0,2044	0,231
0,400	0,068	0,4128	0,875	—	—	—	—
	03	t = l,5	Д0'=О,О4			(2=15	
0,010	0,006	0,0792	6,906	0,005	0,050	0,1357	2,453
0,020	0,010	0,0903	5,981	0,010	0,073	0,1543	1,716
0,030	0,014	0,1016	5,255	0,015	0,092	0,1659	1,346
0,040	0,017	0,1129	4,671	0,020	0,111	0,1744	1,113
0,050	0,020	0,1243	4,191	0,030	0,146	0,1858	0,829
0,100	0,029	0,1822	2,-676	0,040	0,180	0,1933	0,658
0,150	0,035	0,2422	1,872	0,050	0,214	0,1986	0,542
0,200	0,040	0,3046	1,373	0,060	0,249	0,2024	0,457
0,250	0,045	0,3699	1,032	0,070	0,285	0,2063	0,393
0,300	0,051	0,4391	0,782	0,100	0,402	0,2103	0,263
0,350	0,058	0,5137	0,590	—	—	—	—_
0,400	0,066	0,5968	0,434	—	—	—ж»	—
0,450	0,080	0,6969	0,299	—	—	—	—
	0;	lz=1,5	Д0'=О,О4			а=20	
0,010	0,006	0,0827	6,562	0,005	0,051	0,1507	1,874
0,020	0,010	0,0973	5,511	0,010	0,076	0,1709	1,242
0,030	0,013	0,1121	4,709	0,015	0,099	0,1829	0,941
0,040	0,015	0,1269	4,089	0,020	0,121	0,1910	0,759
0,050	0,017	0,1419	3,596	0,030	0,164	0,2013	0,544
0,100	0,025	0,2186	2,133	0,040	0,207	0,2075	0,419
0,150	0,030	0,2987	1,409	0,050	0,253	0,2114	0,336
0,200	0,036	0,3829	0,974	0,060	0,300	0,2139	0,277
—	—	—.	—	0,070	0,350	0,2155	0,232
—	—	—	—	1 0,100	0,523	0,2171	0,143
	0-	1 = 1,5	Д0'=О,О6			(2=5	
0,010	0,007	0,1079	4,967	0,005	0,053	0,1457	3,061
0,020	0,012	0,1143'	4,658	0,010	0,074	0,1601	2,506
0,030	0,018	0,1207	4,380	0,015	0,091	0,1701	2,168
0,040	0,023	0,1272	4,129	0,020	0,121	0,1910	0,759
0,050	0,027	0,1337	3,901	0,030	0,164	0,2013	0,544
0,100	0,045	0,2010	2,018	0,040	0,207	0,2075	0.419
0,150	0,058	0,2110	2,411	0,050	0,253	0,2114	0,336
0,200	0,069	0,2364	1,969	0,060	0,300	0 2139	0,277
0,250	0,078	0,2732	1,632	0,070	0,350	0,2155	0,232
0,300	0,086	0,3116	1,365	0,100	0,523	0,2171	0,143
0,350	0,093	0,3520	1,147	—	—	—	—
0,400	0,101	0,3949	0,966	—	—	—	—
0,450	0,108	0,4409	0,812	—	—	—	—
0,500	0,116	0,4912	0,677	—	—	—	—
145
Продолжение табл. IV.1
ks	₽s	*0	£макс	kv		vo	£макс
	0,	>1,5	Д0'=О,О6			а=10	
0,010	0,006	0,1131	4,713	0,005	0,052	0,1737	2,108
0,020	0,011	0,1248	4,220	0,010	0,076	0,1943	1,156
0,030	0,016	0,1365	3,809	0,015	0,095	0,2077	1,258
0,040	0,020	0,1483	3,460	0,020	0,113	0,2175	1,062
0,050	0,023	0,1602	3,161	0,030	0,147	0,2314	0,812
0,100	0,036	0,2211	2,134	—	——	—	
0,150	0,046	0,2849	1,531	—	—	—	—
0,200	0,054	0.3522	1,133	—	—	—	—
0,250	0,062	' 0,4242	0,848	—	—	—	—
0,300	0,072	0,5031	0,632	—	—	—		
0,350	0,083	0,5932	0,457	—	—	—	—
0,400	0,101	0,7088	0,302	—	—	—	—
	0,	'=1,5	Д0	'=0,06		(7=15	
0,010	0,006	0,1183	4,479	0,005	0,053	0,1965	1,530
0,020	0,011	0,1352	3,848	0,010	0,060	0,2201	1,047
0,030	0,015	0,1523	3,353	0,015	0,104	0,2341	0,805
0,040	0,018	0,1695	2,954	0,020	0,126	0,2439	0,654
0,050	0,021	0,1868	2,627	0,030	0,171	0,2566	0,471
0,100	0,031	0,2764	1,590	0,040	0,217	0,2647	0,361
0,150	0,040	0,3717	1,039	0,050	0,265	0,2703	0,286
0,200	0,049	0,4752	0,692	0,060	0,317	0,2743	0,231
0,250	0,061	0,5926	0,440	0,070	0,372	0,2773	0,189
0,300	0,082	0,7457	0,253	0,100	0,589	0,2838	0,100
	0'	' = 1,5	Д0	'=0,06	(	7=20	
0,010	0,006	0,1235	4,266	0,005	0,055	0,2155	1,155
0,020	0,010	0,1457	3,529	0,010	0,086	0,2394	0,744
0,030	0,013	0,1681	2,981	0,015	0,115	0,2527	0,550
0,040	0,016	0,1908	2,559	0,020	0,143	0,2614	0,434
0,050	0,019	0,2137	2,222	0,030	0,201	0,2718	0,277
0,100	0,028	0,3329	1,222	0,040	0,263	0,2779	0,218
0,150	0,037	0,4623	0,723	0,050	0,332	0,2818	0,165
0,200	0,050	0,6097	0,417	0,060	0,409	0,2843	0,126
0,250	0,079	0,8194	0,181	0,070	0,500	0,2863	0,096
	01	'=1,5	Д0	'=0,08		<х=5	
0,010	0,007	0,1433	3,639	0,005	0,054	0,1924	2,201
0,020	0,013	0,1519	3,402	0,010	0,077	0,2109	1,782
0,030	0,018	0,1606	3,187	0,015	0,095	0,2235	1,528
0,040	0,023	0,1695	2,994	0,020	0,111	0,2333	1,349
0,050	0,028	0,1782	2,818	0,030	0,140	0,2482	1,101
0,100	0,047	0,2236	2,136	0,040	0,167	0,2594	0,933
0,150	0,062	0,2710	1,667	0,050	0,192	0,2684	0,807
146
Продолжение табл. IV. 1
ks	₽0	*0	£ макс	kv	* ^0	vo	емакс
0,200	0,074	0,3212	1,323	0,060	0,217	0,2759	0,709
0,250	0,085	0,3747	1,059	0,070	0,242	0,2824	0,629
0,300	0,096	0,4327	0,847	0,100	0,319	0,2978	0,453
0,350	0,107	0,4971	0,672	—	—	—	—
0,400	0,119	0,5718	0,520	—		—		
0,450	0,135	0,6676	0,378	—	—	—	—
	0	;=i,5	А©'=0,08			а=10	
0,010	0,006	0,1502	3,445	0,005 _	0,055	0,2268	1,495
0,020	0,012	0,1658	3,066	0,010	0,081	0,2517	1,084
0,030	0,017	0,1817	2,750	0,015	0,103	0,2674	0,863
0,040	0,021	0,1976	2,482	0,020	0,124	0,2787	0,718
0,050	0,024	0,2138	2,252	0,030	0,165	0,2946	0,533
0,100	0,039	0,2974	1,461	0,040	0,206	0,3056	0,417
0,150	0,051	0,3872	0,994	0,050	0,248	0,3139	0,335
0,200	0,063	0,4863	0,682	0,060	0,292	0,3205	0,273
0,250	0,078	0,6016	0,451	0,070	0,341	0,3261	0,224
0,300	0,104	0,7644	0,252	0,100	0,536	0,3421	0,113
	0:	[=1,5	Д©'=0,08			а=15	
0,010	0,006	0,1571	3,267	0,005	0,057	0,2535	1,071
0,020	0,011	0,1799	2,782	0,010	0,088	0,2804	0,715
0,030	0,015	0,2028	2,402	0,015	0,116	0,2959	0,538
0,040	0,019	0,2261	2,095	0,020	0,144	0,3065	0,428
0,050	0,022	0,2497	1,843	0,030	0,201	0,3202	О',294
0,100	0,035	0,3735	1,045	0,040	0,262	0,3291	0,214
—	—	—	—	0,050	0,330	0,3358	0,169
—	—	—	—	0,060	0,412	0,3416	0,117
—	—	—	—	0,070	0,521	0,3481	0,081
	0;	'=1,5	Д0'=0,08		i	1=20	
0,010	0,006	0,1641	3,103	0,005	0,060	0,2744	0,798
0,020	0,011	0,1939	2,538	0,010	0,097	0,3007	0,499
0,030	0,014	0,2422	2,117	0,015	0,132	0,3147	0,358
0,040	0,017	0,2549	1,793	0,020	0,168	0,3237	0,274
0,050	0,020	0,2862	1,534	0,030	0,245	0,3348	0,176
—	—	—	—	0,040	0,336	0,3421	0,118
—	—	—	—	0,050	0,452	0,3484	0,077
		'=1,5		Э'=0,1	а	!=5	
0,010	0,007	0,1783	2,443	0,005	0,056	0,2382	1,686
0,020	0,013	0,1893	2,647	0,010	0,080	0,2604	1,349
0,030	0,019	0,2002	2,471	0,015	0,100	0,2755	1,145
0,040	0,024	0,2114	2,312	0,020	0,117	0,2871	1,000
0,050	0,029	0,2227	2,168	0,030	0,149	0,3048	0,802
0,100	0,050	0,2809	1,605	0,040	0,180	0,3180	0,566
147
Продолжение табл. IV.1
ks	* Ро		s макс	kv	* ₽0	*0	6макс
0,150	0,066	0,3433	1,217	0,050	0,209	0,3238	0,565
0,200	0,080	0,4109	0,930	0,060	0,329	0,3379	0,485
0,250	0,094	0,4864	0,706	0,070	0,269	0,3460	0,419
0,300	0,110	0,5750	0,521	0,100	0,371	0,3671	0,272
0,350	0,130	0,6936	0,351	—	—	—	—
	0	;=i,5	Д0'=О,1		а	= 10	
0,010	0,007	0,1870	2,684	0,005	0,058	0,2778	1,128
0,020	0,012	0,2067	2,374	0,010	0,086	0,3062	0,802
0,030	0,017	0,2267	2,115	0,015	0,112	0,3237	0,627
0,040	0,022	0,2469	1,895	0,020	0,136	0,3364	0,513
0,050	0,026	0,2676	1,706	0,030	0,185	0,3541	0,367
0,100	0,042	0,3757	1,055	0,040	0,236	0,3647	0,274
0,150	0,058	0,4964	0,667	0,050	0,291	0,3769	0,209
0,200	0,077	0,6425	0,397	0,060	0,356	0,3863	0,157
—	—	—	—	0,070	0,440	0,3968	0,112
	0,		Д0'=О,1		а	= 15	
0,010	0,006	0,1957	2,539	0,005	0,061	0,3072	0,797
0,020	0,012	0,2243	2,142	0,010	0,096	0,3365	0,518
0,030	0,016	0,2534	1,830	0,015	0,129	0,3532	0,378
0,040	0,020	0,2829	1,579	0,020	0,163	0,3645	0,294
0,050	0,023	0,3131	1,373	0,030	0,236	0,3798	0,189
0,100	0,039	0,4748	0,715	0,040	0,321	0,3914	0,125
—	—	—	—	0,050	0,441 .	0,4041	0,076
	0		Д©'=0,1		а	:=20	
0,010	0,006	0,2044	2,406	0,005	0,066	0,3293	0,586
0,020	0,011	0,2419	1,943	0,010	0,108	0,3569	0,353
0,030	0,015	0,2803	1,598	0,015	0,151	0,3716	0,245
0,040	0,019	0,3194	1,332	0,020	0,197	0,3812	0,181
0,050	0,022	0,3595	1,121	0,030	0,303	0,3950	0,104
0,100	0,039	0,5800	0,483	0,040	0,470	0,4106	0,052
148
В работе [64] рассмотренная задача решена для случая, когда
теплообмен осуществляется радиатором; учтено наличие электроизо-
ляции между радиатором и коммутационными пластинами и между
ветвями термоэлементов. При Bi^> 15-?-20 влияние теплообмена на
параметры термоэлемента становится пренебрежимо малым [35, 143].
6. Учет эффекта Томсона
С достаточной для практических целей точностью [10, 28, 29] учет
влияния эффекта Томсона можно произвести, если допустить (как
и для тепла Джоуля), что тепло Томсона в ветвях термоэлемента
равными долями уносится к горячему и холодному спаям:
Qo = alTt - х0 (То - 7\) - 1 I?r -1 тт (Го - Тх) I, (IV.39)
где а = ах — а2. Воспользовавшись вторым соотношением Томсона
тт = Т , выражение (IV.39) приближенно можно записать в виде
Qo =* a lTt - х0 (То - Тх) - ~ Иг,	(IV.40)
&
где
аТ и аГ0 “ значения коэффициентов термоЭДС при температурах
?! и То- При замене а на аср расчет термоэлементов с учетом
эффекта Томсона можно производить по формулам и методам, при-
веденным в. п. 1—5 настоящего параграфа.
Более точные методы расчета влияния эффекта Томсона опи-
саны в работах [9, 10, 45].
7. Учет температурных зависимостей
электро- и теплопроводности
Достаточно строго распределение температуры и выражения для
параметров охлаждающего элемента найдены в работах [9, 10,
23, 45].
Приближенно температурные зависимости х и о учитываются
при введении ряда упрощений. Для режима максимального холо-
дильного коэффициента формула (IV. 17) остается справедливой,
если ввести
у	Й’
	(ггЕ+га- 
где
т0
Хр = ^ f Хрб/Л
h
(IV.42)
(IV.43)
149
Тепло, поглощаемое холодным спаем,
<2о *=	---------(То -	- Т„), (IV.44)
/(- + Й (M0-l)2 (Мо+1)
\«1	«2 /
где
лТ0 = У 1+У^ + т^,
То	т0
ь- _, с
I adT.	(IV.45)
W	J
Т1	Tj
Для достижения 8макс необходимо к термоэлементу приложить
напряжение
t/опт—	(IV.46)
Л40-1^
В режиме максимальной холодопроизводительности
(а)2Т21[л40--рХ|('л40 + ^
\	* 1 / \	•'1/
QM3KC	\	•L/ \	х/
О ~~	7=	- \ __________Z----’
21 (Pi.+ P* )(Л40-1)(Л40+1)
\$i	$2 /
6q 2Т0(м0- 1)(Л40+ 1)
(IV.47)
(IV .48)
напряжение на термоэлементе
оптимальный ток
i/^T = aT0,
уопт
aTj
I /Pi_ । РаА
Vi «2 /
(IV.49)
(IV. 50)
Формулы (IV.42) — (IV.50) обеспечивают необходимую точность рас-
чета для большинства практических задач. Методы инженерных рас-
четов и критерии оптимизации охлаждающих термоэлектрических
устройств приведены в работах [19, 20, 41, 43, 51].
150
8. Каскадирование
Каскадное устройство представляет собой термоэлектрическую бата-
рею из последовательно включенных в тепловую цепь термоэлемен-
тов или термобатарей (рис. IV. 16). При каскадировании происходит
охлаждение верхних термоэлементов нижними, что позволяет полу-
чить большее снижение температуры, чем при использовании одного
каскада. Наращивая количество каскадов, можно получить в принципе
сколь угодно глубокое охлаждение [79, 128]. При заданной темпе-
ратуре охлаждения применение каскадирования позволяет также уве-
личить холодильный коэффициент термоэлектрического устройства.
7'
5'
Лз
п
С4Л
lexagssgiaail
п
0—
п Р
Р 2 т
Рис. IV. 16. Схема каскадной термобатареи:
/, 2, 3 — каскады; 4 — термостат; 5, 6, 7 — теплопроводящая электро-
изоляция (То < 7\ <Т2 < Тз).
Рис. IV. 17. Тепловая схема N-каскадной батареи.
Холодильный коэффициент каскадной батареи и оптимизация тер-
мобатареи при ZT const [10, 63]. Для батареи, содержащей N
каскадов (рис. IV.17), холодильный коэффициент 8 равен отношению
холодопроизводительности Qo к затрачиваемой батареей электриче-
ской мощности (на рисунке TQ — минимальная температура термо-
батареи, TN — поддерживаемая постоянной температура горячих
спаев N-ro каскада). Из системы уравнений для баланса теплот в
батарее определяется
8 = -м------5.	(IV.51)
где 8/ — холодильный коэффициент i-ro каскада. В каждом из кас-
кадов холодильные коэффициенты могут отличаться друг от друга.
Холодильный коэффициент 8 достигает максимума при равных хо-
лодильных коэффициентах каждого из каскадов:
е1 S2 *= 83	* * * = 8о.
При удовлетворении условию (IV.52)
1
8 ?=-------------- .
(l + l/Ec)W_i
(IV.52)
(IV.53)
151
Существенное снижение температуры Многокаскадными бата-
реями достигается только при малом значении холодильного коэф-
фициента. При этом холодопроизводительность каскадной батареи
становится чрезвычайно малой и полностью определяется холодо-
производительностью наименее мощного каскада при наиболее низ-
кой температуре. Для практических целей количество каскадов
обычно ограничивается двумя-тремя.
В каскадных батареях интервал температур (TN — То) доста-
точно большой, поэтому при расчетах необходимо учитывать темпе-
ратурную зависимость добротности материала. Случай, когда Z -
и ZTs= const, рассмотрен в работах
[9, 10]. Получены соотношения тем-
ператур холодных спаев каскадов, при
которых достигается максимальный
холодильный коэффициент:
Ti^T^j . (IV.54)
Рис. IV. 18. Зависимость холодиль-
ного коэффициента от отношения
температур Т^/Тодля различного ко-
личества каскадов W термобатареи
[11].
Отношение абсолютных значений температур для двух близле-
жащих каскадов
(IV,55)
*1	\1 о /
Максимальный холодильный коэффициент
8 :=
ГМ (TN/T^'N-ЦЫ
(IV.56)
м - (TN/Ta)UN
— 1
Из (IV.56) следует, что при возрастании числа каскадов холодиль-
ный коэффициент быстро уменьшается (рис. IV. 18) до предель-
ного значения
М-И
Г /7*	—1
8°° L ио/
~1
-1 •
(IV.57)
Для 8 =; 0, что соответствует условию достижения максимального
перепада температуры, справедливо равенство
₽ MN.	(IV.58)
о
152
Связь между электрическими сопротивлениями двух соседних кас-
кадов [10, 53] определяется из выражения
^2^-
Ti
T2n W
Tj(l +1/8")
(IV.59)
где Л+э — количество термоэлементов в i-м каскаде, ц — электри-
ческое сопротивление термоэлемента i-го каскада. Выражение (IV.59)
может быть записано также в виде

T02(l + l/e")J
(IV.60)
Из (IV.60), задавшись rf и находят riltii, что в совокуп-
ности с известным распределением температур по каскадам (IV.54),
(IV.55) позволяет из формул, приведенных в п. 1—4 настоящего
параграфа, определить параметры каждого каскада.
Учет температурной зависимости ZT. Такой учет производится
для случая, когда значение безразмерной термоэлектрической доб-
ротности материала ZT термоэлементов изменяется от каскада к кас-
каду [11]. В пределах каждого из каскадов предполагается
Z —const. Зависимость от температуры аппроксимирована степенной
функцией
M — aTb,	(IV.61)
где а и b — постоянные. Для каждого из каскадов .
Mi У 1 + 0,5Zj (Т i + Т t_i),	(IV.62)
44t-+i	У1 + 0,5Zl+1 (Тi+1	7\)>
Zf, Zf+j — значения термоэлектрической добротности материала кас-
кадов.
Отношения между средними температурами	7\_л),
s= (Ti + Ti+i) любых близлежащих каскадов, при которых
достигается максимальный холодильный коэффициент, определяются
из равенства
(М2 - 1) T(_i - bMi (Ti - Ti_i) _
(MiTi-! - Ti) (MiTi - Ti-J
_	— 1) Ti+i + bMi+1 (Ti+i — T{)	(IV.63)
- (Mi+1Ti-Ti+1)(Mi+iTi+i-T:)
Выражение (IV.63) позволяет при заданных температурах на
одном из каскадов последовательно определять температуры на всех
других каскадах батареи.
Расчеты показывают, что, несмотря на существенную зависи-
мость М от температуры, для используемых в настоящее время тер-
моэлектрических материалов различие между холодильными коэф-
153
фициентами каскадов невелико (не более 2%). Использование усло-
вия равенства холодильных коэффициентов каскадов упрощает вы-
ражение, связывающее температуры спаев соседних каскадов:
MjT j — Т ___М^Т t+f — Tj
— Ti Mi+iTi — Ti+i
(IV.64)
Из (IV.64)
Tt — VTi+,Ti i 1/” 1 — Ti ^‘+1 ~	4?/, (IV.65)
1 v 1+1 ‘-1 У 1 Ti+1Ti_t Mi+iMi-!
или, приближенно,
__Tt Т i+i — T— мА
2	)
(IV.66)
Из выражения (IV.65) (для небольшого числа каскадов — из
IV.66) последовательно могут быть найдены значения температур
на спаях термоэлементов. Расчет обычно производят с привлечением
ЭВМ.
Наличие тепловых переходов (рис. IV. 19) большой теплопровод-
ности не вносит существенных изменений в распределение темпера-
тур многокаскадной термобатареи, поэтому их влиянием можно пре-
небречь. Если теплопереходы построены из материалов с малым
коэффициентом теплопроводности, то их влияние становится значи-
тельным. В этом случае для уменьшения теплового сопротивления
теплоперехода в термобатареях Используют выравнивающие пластины
из материалов с большим коэффициентом теплопроводности (см.
рис. IV.19). Было установлено [11], что найденные выше условия
межкаскадного распределения тем-
ператур для достижения максималь-
ного холодильного коэффициента
приближенно могут быть использо-
ваны и при наличии теплоперехода,
Рис. IV. 19. Межкаскадный тепло-
переход:
1,3 — электроизоляторы; 2 — выравни-
вающая пластина.
если температуры на спаях контактирующих каскадов 7\_j, 7\,
отнести к температурам выравнивающих пластин.
Межкаскадные тепловые сопротивления приводят к ухудшению
холодильных коэффициентов каскадов:
<IV-67>
где е/ — холодильный коэффициент каскада с учетом теплового со-
противления, а*=—
Hi теплопроводность материала термо-
элемента, отнесенная к полусумме сечений ветвей термоэлемента,
154
li — длина термоэлемента, &нз —хиз/6, хиз — теплопроводность ма-
териала межкаскадного теплоперехода, b — толщина перехода.
Методы расчета многокаскадных термобатарей описаны также
в работах [4, 5, 11, 49, 61].
9. Составные термоэлементы
Повышение эффективности охлаждающих термоэлементов достигается
при использовании ветвей с изменяющимися вдоль их длины свойст-
вами. Изменение может быть ступенчатым (составная ветвь) и не-
прерывным (неоднородная ветвь).
Схема ветви составного термоэлемента приведена на рис. IV.20.
На рисунке /, 2, .. : , N— участки ветви (иногда их называют кас-
кадами, ступенями, слоями), То — температура холодной грани,
TN — температура горячей грани, Ti_x и Ti —тем-
пературы на границах раздела 1-го участка с участками
i—1 и t’+l. В пределах каждого участка параметры
термоэлектрического материала az, Qi, Xi предполага-
ются не зависящими от координат.Перепад температуры
[12] между горячей и холодной гранью
N
^T(N) -Tn_Ti)-== £ LT.t	(IV,68)
n=\
Рис. IV. 20. Схема ветви составного охлаждающего
термоэлемента [12].
Т;
Л
Ты
где АТ/>= Ti — T/_j. Выражение для максимального перепада тем-
пературы имеет вид
д4а^=42(Л,)го-	<iv-69)
где

N
S &Tk
,	k=r
(at — a;_i —у-----
1 о
х<0"> — теплопроводность ветви. Для большинства термоэлектриче-
ских полупроводниковых материалов можно принять xt- := х —
155
°0 \ (ДГ\
I , aj 7 — значение электро-
1 \1	. Г
?= — > х,- — const, ai != — !
W XJ 1	e \
i=i
проводности, соответствующее максимуму произведения а2адля одно-
родной ветви и одинаковое для всех участков; в этом случае
гу 2
(iv.7O)
X
л
где аопт = 2 —,
N —
ехр ( ’ да(А0) .	(IV.71)
11	\ 2 Rq	/
Из выражения (IV.71) определяются оптимальные значения термо-
электрических параметров на каждом из участков ветви термоэле-
мента. В (IV.71) использовано равенство
i=l
Если Д7\- = const,
ехр
а — aW \ 4___________N )
N ° 1 + (/3-1)(W-1)
(IV.72)
Для описания неоднородной ветви, у которой термоэлектриче-
ские параметры вдоль х изменяются непрерывно, используются фор-
мулы для составной ветви при iV->oo. В этом случае
a<w> Iх\ /1	\
%пТ« =	(1 + у) ех₽ 2( "УТ») ’	(IV.73)
где
^(оо) ,	_____аопт____________
(/3-l)exp(-lz(-)r0jrf
(IV.74)
L — число Лоренца.
Существенное возрастание (на 3,5 — 40%) и соответственно
ДГ(^)
достигается при значительном росте (в 3—10 раз) электропро-
водности в направлении от горячей к холодной грани термоэлемента.
Несмотря на ухудшение добротности на отдельных участках термо-
элемента, общее значение добротности составного или неоднород-
ного термоэлемента выше, чем у однородного. Улучшение парамет-
ров имеет место и в режиме максимального холодильного коэффи-
циента.
Сведения о составных термоэлементах приведены также в рабо-
тах [30, 69, 82, 83, 134, 136].
156
§ 2. Термоэлемент Эттингсгаузена
Описываемые в ранних работах, посвященных исследованию эффекта
Эттингсгаузена [89, 115, 123, 124, 129, 130], перепады темпера-
туры были невелики, поэтому вопросам практического применения
этого эффекта .не уделялось должного внимания. Только в послед-
ние два десятилетия благодаря исследованиям висмута, и особенно
сплавов Bi—Sb, интерес к гальваномагнитному охлаждению возрос.
Расчет гальваномагнитных охладителей произведен для моделей
различной степени сложности.
1.	Простейшая модель
Термоэлемент представляет собой образец прямоугольной формы
(рис. IV.21), к двум граням которого присоединены электрические
контакты. Магнитное поле однородно и перпендикулярно току. Для
получения охлаждения одну из гра-
ней необходимо термостатировать.
В простейших моделях вещество об-
разца однородно и изотропно, его
Рис. IV.21. Схема охлаждающего
элемента Эттингсгаузена:
1,3 — токоподводы; 2 —< тепловая на-
грузка; 4 — термостат; 5 — образец.
свойства не зависят от температуры, длина образца настолько ве-
лика (d > b, а), что можно пренебречь искажениями в распределе-
нии температуры и тока, вносимыми токовыми электродами. Пред-
полагается также, что холодная и боковые грани образца находятся
в адиабатических условиях, вихревые токи в приконтактных облас-
тях несущественны, тепловой контакт образца с термостатом
идеальный.
В стационарных условиях понижение температуры грани х± = О
является результатом эффекта Эттингсгаузена, выделения тепла
Джоуля и переноса тепла за счет теплопроводности образца. Из
баланса теплот [100, ПО] определяется температура холодной грани
Ti-To-^r+&. ’	(IV-75)
где р, « — соответственно изотермический коэффициент Нернс-
та — Эттингсгаузена, удельное сопротивление и теплопроводность
материала. Из (IV.75) следует, что охлаждение зависит от тока
через образец; максимальное охлаждение достигается при оптималь-
ном токе
,	BQ^b
°ПТ	р
Максимальная разность температур
(То 7\)макс = ~2
(IV.76)
(ПГ.77)
157
где термомагнитная добротность
= (BQ1)2 .	(1у 78
н рх
Формулы (IV.75) — (IV.78) аналогичны полученным для элемен-
тов на эффекте Пельтье. Холодильный коэффициент в принятых
предположениях адиабатичности холодной грани равен нулю. Фор-
мулы (IV.75) — (IV.78) могут быть записаны и через коэффициент
Эттингсгаузена Рэ, если воспользоваться соотношением Бриджмена
(1.83).
2.	Учет анизотропии свойств материала
Исходными для определения основных свойств термоэлемента являю-
тся выражения для потоков тепла и электричества с учетом тензор-
ного характера коэффициентов переноса [99, 101 — 103, 107, 119];
токами /j = /2 = 0 и градиентами температур дТ1дх2 = дТ/дх3 = 0
пренебрегается как величинами малыми:
дТ
$1 = (Рз! — B2RX 1з) /з + (аН +	,
^з = Рзз/з + (аз1 — ^2^31 )	>
<7i = Т (а13 + ВЛ1) /я - «И ,	(IV.79)
q2 — T (а33 — B2Q33) /з — (х1з + ^2^л13хи)	»
где = —др/дх;, р — электрохимический потенциал, qi — плотность
теплового потока,/\- — плотность электрического тока, р^-, ocj, х^—
компоненты тензоров электросопротивления, термоЭДС, теплопро-
водности; Q^, Rxii> Sjlij“ коэффициенты Нернста — Эттингсгау-
зена, Холла, Риги — Ледюка. Выражения для описания параметров
термоэлемента определяются, если известно соотношение для рас-
пределения температуры в образце. Оно находится из условия ста-
ционарности, т. е. из 'равенства нулю дивергенции вектора потока
энергии с соответствующими граничными условиями. Искомые вели-
чины зависят от кристаллографической ориентации, поэтому необхо-
димо дополнительно производить оптимизацию по углам между кри-
сталлографическими осями и осями координат образца для каждого
из рассматриваемых материалов. Определенное упрощение в расчетах
достигается, если оптимальная ориентация известна заранее. Напри-
мер, для висмута и его сплавов с сурьмой установлено, что макси-
мальное охлаждение достигается, если ток направлен вдоль триго-
нальной оси, магнитное поле — вдоль бис'секторной, градиент темпе-
ратуры— вдоль бинарной оси [109, 141]. В этом случае кристалло-
графические оси совпадают с осями координат образца (рис. IV.21)
и система (IV.79) сводится к виду
дТ
~ —В2Рх\з1з + aii >
дТ
^3 — РЗЗ/З —' ^2^31	»
158
, (Т7 ат
Я1 — Т ~+ (^Н31	0 хи а7 »
РзЗ	ОХ1
т . в с дТ
Яз — 1 азз/з “ £,2c>ji13xii »
где
_(W?
Hii pax/l 
(IV.80)
(IV.81)
Распределение температуры и соответственно перепад темпера-
туры, оптимальный ток и холодильный коэффициент определяются
при упрощающих допущениях /3 = const или $3 = const.
Допущение j3 — const. Распределение температуры для этого
случая находится из дифференциального уравнения
.2
• у? ~2В^^+~ = 0-	(IV.82)
dxi	хи axi хи
В работе [100] решение (IV.82) найдено при разложении в ряд
Тейлора и пренебрежении членами выше второго порядка. Точное
решение имеет вид
2В2Сз1/зх1
1 — exp-----------
+ дт- £зз/з&|--------------> (IV.83)
2B2Q31/36
7’(^)=7’i+g2 * *S
^ii
где ДТ = To — Tf. Аналогичное решение получено для изотропного
материала [127]. Из (IV.83) максимальный перепад температуры
в отсутствие тепловой нагрузки
__	1 т 1 ln(l — 2ZH3iTi)
макс “	2 1	4 ZH 31
достигается при оптимальном токе
•опт _ 1 *п ~~2ZH 31Г1)
/3 - Т b2q±
(IV.84)
(IV.85)
Допущение $3 = const. В работе [119] показано, что это допу-
щение более корректно, чем условие /3 = const. Дифференциальное
уравнение для температуры имеет вид
1	31^ d2T	р—	31^ д In Xjf	31^1
ZH31	дТ““- дЫТ
ZdT у_ ЭМВ^/Рзз)	g3	/_^_\? = (IV 86)
д1пГ	U2Q3V
159
Его решение дает выражение для распределения температуры
х	Т/21
(IV.87)
где
т’сР=4(г»+Г1)-
Из (IV.87) определяется оптимальное электрическое поле
^з°пт = уВД1Л-	(IV.88)
и соответственно максимальный перепад температуры
(IV.89)
где Qo — тепловая нагрузка на холодильник. При Qo = 0 максималь-
ный перепад температуры
Д7’Макс = 42Н317’о.
Холодильный коэффициент (отношение поглощенной холодной
гранью тепловой мощности Qo к затраченной электрической мощ-
ности)
в^т^3 - (в2^
b / <g3 у AT I — zh 31 ^ср
2 \B2Q3d 6 zH3i
823b + B2Q^S3 AT
(IV.90)
Оптимальное электрк котором достигается мак<	[ческое поле, приложенное к образцу, при зимальный е,
<§°пт = Z	1TB2Q^ ^LrZtf_.31?cP	(IV 91) V/l-Wcp)*	J
Т А р	 макс	12	 1		(IV.92) l+/l-Z„31Tcp •
Сравнение результатов, пс = const, показывает, чт< является более точным, < 1 близки между ваться формулами (IV.88	)лученных при допущениях /3 = const и $3 = э распределение температур для $3 — const однако результирующие формулы при собой. При расчетах целесообразно пользо- )- (IV.92).
160.
Коэффициенты изотермические. Соотношение изотермической Z^
и адиабатической Z^ добротностей [84] связаны выражением
	(l-2j/z/n(l+^l7T) = l>	(IV.93)
где	(2^/)?	.	(BkQxi)* ZH Ц-' i u  ’ ZH И - " i 'a “ •	(IV.94) Р/Г7/	X//Pz(
Решения для упрощенных или частных случаев рассмотренной
модели приведены в работе [87].
6 9-413
3.	Учет температурных зависимостей
свойств материала
Параметры термоэлемента при учете температурных зависимостей
свойств материала могут быть найдены из решения уравнения (IV.86)
численными методами. Для случая, когда Q1 T^t р33	Т~*
и хд — const, найдено аналитическое решение [52, 119]. Выбранные
температурные зависимости имеют практический смысл: ими могут
быть аппроксимированы изменения с температурой параметров мате-
риала Bi — Sb — одного из перспективных для практического исполь-
зования в гальваномагнитных охладителях [84].
Принятые допущения записываются в виде
Сз1 (Т) = <?3i (Го) р . Рзз (Г) = Рзз (Го) р , ХП = const. (IV.95)
Это означает, что
^з1(Г) = гяз1(Т0)р, ,
и соответствует ZH 3iT = const. Уравнение (IV.86) для этого случая
приводится к виду
+ <*нт = °.	(IV.96)
dx±
где
__	. f
н b2qxt |/ 1—2Я31Т'
Решение (IV.96) при граничных условиях T(0> = Tf, Т (Ь) = То
имеет вид
7*(j — Т\
Т =---------sincoH& ' Sin afiXi + cos aHxi-	(IV-97>
Максимальный перепад температуры
ДГмакс = Ргя31(7’ср)7’|	(IV.98)
(SI
достигается, если приложить электрическое поле
Аопт _	1 fX ~ZH S,\T 1
. ёз - ь V zH3lT ^yz^-T
Холодильный коэффициент
Tj sin	“•}“ Yj-jTх cos	—— Tq
8 ДТ sin &Hb + 2УнТср (1 — cos ®Hb)»
где
(IV.99)
(IV.100)
Максимальный холодильный коэффициент достигается при на-
пряженности электрического поля, определяемой из уравнения
+ Tl) (cos о^)0ПТ£ + Ун (Tl - Т[) (sin 0Я&)°ПТ6 -
-2То7\ = О,	(IV.101)
3 котором <§§пт содержится в аргументах косинуса и синуса.
4.	Каскадирование
Одним из преимуществ термоэлементов Эттингсгаузена является воз-
можность их каскадирования путем использования термоэлемента
специальной формы. Схема, поясняющая эту возможность, приведена
на рис. IV.22. Она содержит набор
прямоугольных элементов, размеры
которых выбираются таким обра-
зом, чтобы при их расположении
друг над другом достигалось обыч-
ное каскадное охлаждение. При
этом предполагается, что тепло,
генерируемое каждым из элемен-
Рис. IV.22. Схема, поясняющая
каскадирование • термоэлементов
Эттингсгаузена.
тов, равномерно распределяется по холодной грани находящегося
под ним элемента. Если размер термоэлементов в направлении у (их
длины) одинаков, то при ряде упрощающих допущений к каждому
из элементов может быть приложено одинаковое электрическое- на-
пряжение, т. е. все термоэлементы могут иметь общий источник пи-
тания. Можно также допустить, что распределение потенциалов на
горячих и холодных гранях термоэлементов приблизительно одина-
ково, поэтому наличие электрического контакта между термоэле-
ментами не приводит к существенному искажению распределения
тока и температуры. Таким образом, каскадирование сводится к из-
готовлению охлаждающего термоэлемента, у которого боковые грани
должны иметь специальную форму.
162
Расчет формы боковых поверхностей, при которых достигается
максимальное охлаждение, явился предметом исследования в ряде
работ [98, 104, 105, 120, 129]. Для случая [129], когда свойства
материала термоэлемента не зависят от температуры, плотность тока
постоянна во всем объеме, a, b'<^d (см. рис. IV.22), и влияние ЭДС
Нернста пренебрежимо мало, максимальное охлаждение достигается
при экспоненциальном изменении вдоль х:
2?7х
г=з(0).едг(	(IV. 102)
где z (0) = -i-, d0, VT — градиент температуры.
В работе [137] было показано, что для достижения максималь-
ного холодильного коэффициента каскадной батареи необходимо,
чтобы холодильные коэффициенты каждого из каскадов были рав-
ными. В таком же предположении более точное [104, НО] выра-
жение для геометрии элемента имеет вид
гИ-г(0)гаК	<IV.rO3)
При оптимальном токе
J _ &TuaiKS	(IV.1 (И)
*ОПТ	- z.	О. .	4	'
максимальный перепад температуры
{1—8.
1_ГЦ2)1ч-8к (iv.io5)
z (b) I j
Где $ _ площадь поперечного сечения термоэлемента перпендику-
лярно току, р — среднее удельное сопротивление материала, 6 =
= ]/’! — Zj/Tcp. Температуры холодной и горячей поверхностей
должны удовлетворять условию
Ж
=	(iv.106)
2(0)
Для случая, когда термомагнитная добротность зависит от тем-
пературы, причем ZHT = const [120,, изменение температуры вдоль
х дается выражением
L =	(iv.io7)-
Ti \1\), f
изменение ширины образца —
____________________________________2
_L_ = /Т/1+2"Гс₽''1 •	(IV.108)
2(0) IrJ
6*
163
отношение между размерами горячей и холодной граней —
_____________________________________2
z(b) = / To\V 1+zH7’cP-i	(IV. 109)
г (0)
холодильный коэффициент —
-х
l+^cp-l
ы
(IV. ПО)
Для более сложных зависимостей элейтро- и теплопроводности
и коэффициента Нернста от температуры (о (Г), х (Г), Qx (Т) —
функции непрерывные и "ограниченные, с ограниченными непрерыв-
ными первыми производными) координаты огибающих поверхностей
xz определяются из уравнений [98]
_____________BZQL (Т)____________
z “ {1 - [1 — TZ'H (Т)]1/2} (7х (Т) Х
vn С Z'^T}dT
У°еХр.) {1 —	(Т)]1/2}Г
Т1
_BdTc И-тг'н(Т)]^(Т)
* U J, 1-[1-TZ^(T)]1/2
(IV.111)
(1V.112)
где
_В1[<2х(Т)]?о(Т)
------~ЩТ) '
U — напряжение, приложенное к термоэлементу, <20 — тепловая на-
грузка термоэлемента.
При известных о (Г), х (Г), Qx (Г) задачи решаются численными
методами. Варианты расчета охладителей Эттингсгаузена приведены
в работах [92, 93, 99, 101, 108, 139, 140].Последовательное изложение
теории холодильников Эттингсгаузена приведено в книге Хармана
и Хонига [111] и в [61].
5.	Макеты термоэлементов
и результаты их испытаний
Охладители прямоугольной формы. В первых опытах по охлаждению
эффектом Эттингсгаузена на прямоугольных образцах 99% Bi
и 1% Sb получено снижение температуры на 0,25° С [129].
Из материала 97% Bi — 3% Sb изготовлены охлаждающие эле-
менты как прямоугольной, так и экспоненциальной формы [84, 112,
113, 126].
Достигнутые перепады температуры приведены на рис. IV.23.
Для элементов размерами 0,6 X 2,6 X 0,2 см при токе 12 А и по-
164
требляемой мощности 2,7 Вт в магнитном поле 0,6 Т получено охлаж-
дение на 30 К от 150 К, при мощности 2,6 Вт в магнитном поле
1,2 Т перепад достигал 36 К [52]. В работе [119] на материалах
Рис. IV.23. Зависимость перепада температуры от напря-
женности магнитного поля в холодильнике Эттингсгау-
зена прямоугольной формы. Температура горячей грани:
/ — 156 К? 2— 195 К; 3 — 77 К [ИЗ].
Рис. IV.24. Схема прибора для измерений перепада тем-
пературы в термоэлементе Эттингсгаузена:
1 — образец; 2 — контакт образца с токоподводом* 3 — трубки?
4 — термостатирующая жидкость; 5 — бакелитовый корпус [ИО].
такого же состава при отношении ширины образца (вдоль магнитного
поля) к его высоте а: 6г=4,3 получено охлаждение от 156 К на 25 К
в поле 1 Т. Дополнительный перепад температуры на переходе го-
рячая грань — термостат ухудшал
охлаждение на 5 К. Таким обра-
зом, перепад температуры в образце
достигал 30 К. Эти результаты
сравнивались с рассчитанными по
формуле (IV.98). Получено совпаде-
ние в пределах ошибки экспери-
мента. Более подробные резуль-
таты приводятся в работе [84].
По экспериментальной мето-
дике, описанной в работе [ПО]
(рис. IV.24), измерены перепады
температуры на трех прямоуголь-
ных образцах различных геомет-
рических размеров, изготовленных
из висмута. Результаты измерений
приведены в табл. IV. 2. Причиной
^различия между экспериментом и
рассчитанными значениями перепада
Таблица IV.2
Охлаждение
элементами Эттингсгаузена
от комнатных температур
ИЮ}
ег	Размеры образца (см. рис. IV.21)			Экспери- менталь- ные результаты	
си со СЗ \о О	а, см	С, см		АТ, К	в
1	0,270	1,5	3	38,5	17
2	0,525	1,5	2	35,0	29
3	0,526	13,0	1	42,0	28
165
и тока является шунтирующее влияние электрических контактов. На
рис. IV.25, IV.26 приведены зависимости перепадов температуры
от тока и напряженности магнитного поля.
На прямоугольном образце из Bi96 — Sb4 размерами 11 X 3 X
X 4 мм в магнитном поле 1,65 Т [38], направленном вдоль бинарной
оси, получено снижение температуры на 22 К от 166 К.
Рис. IV.25. Зависимость перепада температуры от тока через термо-
элемент Эттингсгаузена из висмута при охлаждении от комнатных
температур:
/ — ЮТ; 2, 3 — 9 Т. Нумерация кривых соответствует нумерации образцов
в табл. IV.2 [НО].
Рис. IV.26. Зависимость перепада температуры от напряженности
магнитного поля для термоэлемента Эттингсгаузена из висмута при
охлаждении от комнатных температур для образца № 1 (см.
табл. IV.2) [ПО].
Охлаждающие элементы экспоненциальной формы. Результаты,
полученные на образцах [113, 119, 126] из 97% Bi„3% Sb, приве-
дены на рис. IV.27. Размеры образца даны в миллиметрах.
Из кристаллического висмута изготовлен элемент экспоненциаль-
ной формы [108, 110, 111],
ДГК
измеренный при температуре горячей
грани 301 К в вакууме 3» 10~4 мм
рт. ст. (см. рис. IV.24). Размеры об-
разца: 1,9 см вдоль направления тока,
0,5 см вдоль градиента температуры,
1,65 см у основания вдоль направле-
ния магнитного поля. Отношение пло-
щадей горячей и холодной граней 128.
Рис. IV.27. Зависимость перепада
температуры от напряженности маг-
нитного поля на термоэлементе Эт-
тингсгаузена экспоненциальной фор-
мы (Bi97Sb3). Температура горячей
грани:
1 - 156 К; 2 - 195 К; 3 - 77 К [ИЗ].
Зависимости перепада температуры от тока через термоэлемент
при различных напряженностях магнитного поля приведены на
рис. IV.28. Из рисунка видно, что при напряженностях более 10 Т
166
перепад температуры возрастает несущественно. Получен максималь-
ный перепад 101 К, рассчитанный по формуле (IV.105) перепад со-
ставляет 113 К. При отношениях площадей холодной и горячей гра-
Рис. IV.28. Зависимость перепада температуры от тока через термо-
элемент Эттингсгаузена экспоненциальной формы из висмута. Напря-
женности магнитного поля:
/ — 10,99 Т;< 2 «9,15 Т; 3 — 6,4 Т; 4 « 3,66 Т; 5	0,91 Т [НО].
Рис. IV.29. Зависимость перепада температуры от напряженности
магнитного поля на образце экспоненциальной формы из Bi97 Sb3
[57]. Температура горячей грани:	'
/ — 120 К; 2 — 170 к.
ней 12 получен перепад 71 К, рассчитанный — 67 К. При измерениях
в воздушной атмосфере перепад температуры уменьшается на не-
сколько градусов. Значение ZHT « 0,3-т- 0,4.
Для экспоненциального элемента с соотношением площадей го-
рячей и холодной граней 25 [56—60] измерены перепады темпера-
туры в интервале 120—170 К. Результаты приведены на рис. IV.29.
Получен перепад около 70 К. В интервале 170—200 К этот перепад
сохраняется почти постоянным.
6.	Спиральные и кольцевые охлаждающие элементы
Кроме обычных термоэлементов прямоугольной и экспоненциальной
форм [114, 139] известны термоэлементы, у которых рабочее тело
имеет цилиндрическую симметрию. Такие термоэлементы изготов-
ляются в виде цилиндра или цилиндрической спирали и спирали «ру-
лонного типа». Такие элементы могут использоваться с радиальными
магнитными полями и" радиальными тепловыми потоками. Варианты
таких термоэлементов изображены на рис. IV.30. Охладители такого
типа описаны в работах [52, 98, 127]. К их преимуществам относят
отсутствие коммутационных спаев и возможность согласования
с источником питания.
Особый интерес представляет возможность питания термоэле-
мента переменным током. Для этого необходимо при изменении на-
правления тока через элемент одновременно изменять направление
магнитного поля. Такое устройство [127] изображено на рис. IV.31.
167
Рис. IV .30., Варианты спиральных гальваномагнитных охладителей
а, б — с радиальным тепловым потоком q\ в, г —- с радиальным магнитным
полем Н.
Рис. IV.31. Спиральный гальваномагнитный охладитель
(питание переменным током):
1 — охлаждаемая полость; 2 — рабочее тело термоэлемента
с термостатированной внешней цилиндрической поверхностью;
3 — соленоид [127].
Рис. IV.32. Цилиндрический гальваномагнитный охла-
дитель:
1 —охлаждающий элемент; 2 —тороидальная обмотка для соз-
дания магнитного поля; 3 —в электрические контакты охлаждаю-
щего элемента [138].
168
Рис. IV.33. Общий вид (а) и схема включе-
ния (б) цилиндрического гальваномагнитного
охладителя с индуктивной связью:
1— рабочее тело элемента; 2 — тороидальная об-
мотка; 5--обмотка питания термоэлемента [138].
Рис. IV.34. Цилиндрический гальваномагнитный
охладитель с тепловым потоком вдоль образующей
цилиндра:
1 — рабочее тело элемента; 2, 3 — контакты на внутрен-
ней и внешней поверхностях цилиндра; 4 — тороидальная
обмотка [138].
Рис. IV.35. Гальваномагнитный охладитель без
электрических контактов:
/ — рабочее тело; 2 соленоид [138].
169
Магнитное поле образуется соленоидом, установленным соосно со
спиральным элементом. Спираль и соленоид включены последова-
тельно с источником переменного тока.* На рис. IV. 32 — IV.35 изоб-
ражены варианты [138] аналогичных гальваномагнитных охладителей
переменного тока. На рис. IV.32 рабочее тело элемента имеет ци-
линдрическую форму, магнитное поле создано тороидальной обмот-
кой, ток подключен последовательно через обмотку, верхнюю и ниж-
нюю плоскости цилиндра; тепло эффектом Эттингсгаузена отводится
в радиальном направлении от внутренней цилиндрической поверх-
ности к наружной. Индуктивную связь с источником питания можно
осуществить дополнительной тороидальной обмоткой, которой соз-
дается магнитное поле как в рабочем теле элемента, так и в об-
мотке, питающей термоэлемент (рис. IV.33). Тепловые потоки вдоль
Рис. IV.36. Гальваномагнитный охладитель
и соленоид для образования магнитного
поля:
1 — образец из висмута; 2 — теплопроводящая изо-
ляция; 3 — теплопоглощающая пластина; 4 соле-
ноид [75].
образующей цилиндра возникают, если электрический ток протекает
радиально между его поверхностями. Верхняя плоскость цилиндра
охлаждается при термостатировании нижней или наоборот (рис. IV.34).
На рис. IV.35 приведен охладитель, не имеющий электрических кон-
тактов; электрический ток возбуждается в цилиндрическом рабочем
теле элемента магнитным полем соленоида, это же поле используется
для работы гальваномагнитного охладителя. Ток, индуцированный
в цилиндре, должен быть сдвинут по фазе на 180° относительно
тока в обмотке. В элементе возникают радиальные тепловые потоки.
При термостатировании внешней поверхности цилиндра внутренняя
может быть охлаждена.
Конструкция гальваномагнитного охладителя с соленоидом для
создания магнитного поля описана в патенте [75]. Холодильник из
Bi — Sb размещен внутри соленоида перпендикулярно магнитному
потоку (рис. IV.36). При токе 15 А и температуре среды 77 К (жид-
кий азот) получен перепад температуры около 5 К.
7. Перспективы
применения гальваномагнитного охлаждения
До настоящего времени нет сведений о широком применении галь-
ваномагнитного охлаждения. Описаны различные проекты и макеты
охлаждающих устройств, где гальваномагнитный охладитель исполь-
зуется при пониженных температурах (ниже 200 К). Такие охлади-
тели рассматриваются как перспективный элемент в составе много-
каскадных охлаждающих устройств от 300 К до температур жидкого
азота [61]. Основные преимущества гальваномагнитного охлаждения
при низких температурах — большая, чем у термоэлектрического хо-
лодильника, добротность и простое каскадирование. Однако, как
и у иных твердотельных охладителей, холодильный коэффициент
чрезвычайно мал, поэтому их использование представляется перспек-
170
тивным для охлаждения и термостабилизации небольших объектов:
фоторезисторов, предусилителей, микроэлектронных схем и т. д. Не-
обходимость магнитного поля не является сдерживающим фактором —
в настоящее время разработаны постоянные магниты высокого ка-
чества, легко обеспечивающие при небольших объемах и массе тре-
буемую магнитную индукцию. К преимуществам гальваномагнитного
охлаждения (как и иных вариантов твердотельных охладителей) от-
носят надежность, малую массу, практически неограниченный ресурс
работы, компактность и сочетание с миниатюрными охлаждаемыми
узлами. ’’Перспективы применения рассмотрены во многих работах
(например, [16, 32, 52—54, 85, 91, 106, 122, 125]).
Особо рассматриваются возможности применения гальваномаг-
нитного охлаждения в интервале 2—10 К. Экспериментально этот
вопрос изучался на графите [94, 142]. В относительно малых маг-
нитных полях (до 0,05 Т) получены небольшие охлаждения. При
уменьшении решеточной теплопроводности графит рассматривается
как перспективный материал для охлаждения при низких темпера-
турах. Предложено [118] использовать гальваномагнитное» охлажде-
ние в сверхпроводящих кабелях. Магнитное поле создается соле-
ноидами, включенными последовательно с охлаждающими элементами,
вмонтированными на кабеле.
§ 3.	Магнетотермоэлектрический
термоэлемент
Является разновидностью термопарного элемента (рис. IV. 1), в ко-
тором различие термоЭДС в ветвях или рост добротности достига-
ется при воздействии магнитным полем. Для расчета параметров
охлаждающего магнетотермоэлектрического термоэлемента могут
быть использованы выражения для обычного термопарного элемента
(гл. IV, § 1), если положить = «!(//), а2 = а2(^)> а1 = а1(/7),
= <4 (Н), Xf = Xi (/У), х2 = х2 (//) — соответствующие значения
термоЭДС, электро- и теплопроводности материалов ветвей термо-
элемента в магнитном поле.
Повышенный интерес к магнетотермоэлектрическим охлаждаю-
щим элементам вызван возможностями существенного увеличения
добротности термоэлектрических материалов в магнитном поле [61].
Такое увеличение происходит, например, в сплавах Bi — Sb: в интер--
вале температуры 150 — 200 К получен для n-ветви 7мтэТ^1,3.
Рост магнетотермоэлектрической добротности ZMT3 обусловлен не
только изменением спектра носителей тока в магнитном поле, но
и влиянием вторичных термомагнитных эффектов [58, 88]. По этой
причине гальваномагнитная добротность становится существенно за-
висящей от геометрических размеров ветви термоэлемента. Это
обстоятельство существенно осложняет расчет термоэлементов
и вызывает противоречивые требования при межкаскадном согласо-
вании, удовлетворении условиям достижения оптимального тока
и выборе геометрических размеров для обеспечения максимального
значения ^мтэ-
Для сплавов Bi — Sb наибольшие снижения температур достиг-
нуты при ориентации материала ветви таким образом, чтобы на-
правление тока совпадало с тригональной осью, а магнитное поле
171
было параллельно бинарной оси. Максимальный ZMT3 в этом случае
достигается, если длина термоэлемента (вдоль направления тока)
существенно больше его ширины, поэтому ветвь термоэлемента на-
бирается из тонких параллельно соединенных пластин, или в термо-
элементе делается ряд прорезей в плоскостях, параллельных на-
правлению магнитного поля и электрического тока.
В комбинированном каскадном холодильнике, выполненном из
магнетотермоэлектрических элементов в «холодных» каскадах и тер-
моэлектрических элементов [144], в магнитном поле 0,3 Т при хо-
лодопроизводительности 8 мВт получено снижение температуры от
300 К до 128 К.
Отсутствие материалов для р-ветви магнетотермоэлектрического
элемента существенно сужает возможности его применения. Предла-
гается в одной из ветвей применять сверхпроводник или вырожден-
ный полупроводник в магнитном поле, для которого рх должно
быть существенно меньше, чем следует из закона Видемана —
Франца [95].
§ 4.	Охлаждение поперечным эффектом
Пельтье
Схема охлаждающего анизотропного термоэлемента приведена на
рис. IV. 37. Электрический ток протекает через кристалл с анизо-
тропной термоЭДС вдоль направле-
ния у±. Кристаллографические оси
Xi и х2 ориентированы под углом к
осям координат ylt у2, Токовые
контакты монтируются на гранях
/, 2. При заданных температурах
иТ0 распределение температуры
в термоэлементе [55, 61] прибли-
женно дается выражением
Рис. IV.37. Анизотропный охлаж-
дающий элемент.
(IV.113)
где
Рц — Ри cos2 <р + р22 sin? <р,
172
к™ — xii sin? <p + x22 cos2 <p, rT 12 s= T (^2
«12 s= у («22 “ «11) sin 2ф.
Выражение получено из уравнения теплового баланса для теплот
Пельтье, Джоуля, Томсона без учета эффекта Бриджмена.
Из (IV. 113) найдены выражения для (То— Tj) и (То —Tf)MaKC.
Приближенные формулы для этих величин получены и в работах
[67, 70]. В работе [18] более точно с учетом эффекта Бриджмена
получен максимальный перепад температуры при адиабатической
изоляции грани y2t=b:
(ТО	7\)макс ‘
In(ZaT0+l)
ZaT0
(IV.114)
который реализуется при электрическом напряжении подводимого к
граням If 2 термоэлемента
„ _[Т0 + (Т.-Т1)ый^а.^а
и\,2 —
(IV.115)
b
В (IV.114)
(IV.116)
2
Z с*12
а xV
22 Г11
— термоэлектрическая добротность анизотропного материала. Рассмот-
рено [70] влияние температурной зависимости электропроводности
на свойства термоэлемента. Для случая, когда' электропроводность
а и теплопроводность х — скаляры и
(У— ATe~D/T,	(IV. 117)
Д7'макс--%6 + у^а-1т1(П + Л)^К +
+ -lza(D + 7’1) Пк,
(IV.118)
D — постоянная, Qo —^холодопроизводительность. При больших Z&T
максимальная холодопроизводительность
~za (То —Л)
(IV.119)
В работах [18, 61] рассмотрен каскадный анизотропный термоэле-
мент и приведен метод расчета его параметров. Как и в термоэле-
менте Эттингсгаузена, каскадирование производится путем выбора
оптимальной формы термоэлемента.
173
§ 5.	Нестационарное охлаждение
Обычно параметры охлаждающих элементов приводятся для слу-
чаев, когда ток, протекающий через термоэлемент,— постоянный,
а распределение температуры достигает стационарного значения че-
рез некоторое время после включения тока. В этих условиях, как
правило, определяются холодильный коэффициент, холодопроизводи-
тельность и максимальное снижение температуры. Однако свойства
термоэлементов описываются не только параметрами в стационарных
условиях, но и временем достижения этих условий, т. е. быстро-
действием. Во многих случаях быстродействие' охлаждающих уст-
ройств играет первостепенную роль и для его определения необ-
ходимо знать переходные процессы, развивающиеся в термоэле-
менте от момента включения тока до выхода в стационарный режим.
Из этих требований формулируются простейшие нестационарные за-
дачи термоэлектрического охлаждения, описывающие процесс при-
ближения к стационарному состоянию в различных модельных при-
ближениях. Более сложными являются нестационарные задачи, в
которых при прочих неизменных условиях ток через термоэлемент
является функцией времени. Их решения для .ряда случаев по-
зволили не только ^формулировать условия, при которых дости-
гается большее быстродействие, но и установить возможности по-
лучения охлаждения, большего по сравнению со стационарным.
К нестационарным относятся и задачи определения функции тока
для достижения заданной временной зависимости охлаждения. Ниже
приводятся соотношения для описания этих основных режимов не-
стационарного охлаждения.
1. Переходные процессы
- Простейшая модель. Для охлаждающего элемента (рис. IV.38, а)
с ветвями постоянного сечения и равной длины [24] одномерное рас-
пределение температуры дается выражением
ГВ-Т(Х, t)~ I? / (/ - X) + g ( /2 - X’) - х
оо
х П (-1)"1 ]ехр[~(2/п + 1)2Т^]	л х
XXj|.2pZ Sm+lJ (2m+1)2 cos(2m + l)2
m—Q
(IV.120)
где To — температура горячих спаев и в каждой точке термоэле-
мента до включения постоян-
ного тока плотности j const,
t — время. Подобный результат
получен и в работе [80].
Рис. IV.38. Модели термоэле-
ментов для расчета времени
охлаждения.
174
Изменение температуры в холодном спае (х^1 (рис. IV.38, б))
в зависимости от времени представляется в виде [24]
. Л	М	16 р/S .
ДГ~ х Z V°nT	2/	пЗ х / Х
ехр —
(2m+ 1)?
л .	(—1)т/
2~/опт 2т+ 1,
(IV.121)
где /опт — оптимальная плотность тока, соответствующая максималь-
ному перепаду температуры в стационарных условиях.
При больших t достаточно использовать первый член суммы в
(IV. 121); в этом случае время, необходимое для охлаждения' спая
до значения ДТ,
4 1?	32	2 /опт '
""Ц П л»(1-рг) 2/опт-/
(IV. 122)
где — ДТ/ДТстац, ДТстац — перепад температуры пои достижении
стационарных условий.	,
При / = /опт
16 (п ~ 2)
л?а0 зт3(1 — Рг) *
(IV. 123)
Формулой (IV.123) можно пользоваться при Р>0,6. ’
Для описания переходного процесса в начальные моменты вре-
мени [133, 135] более надежные результаты могут быть получены
из выражения
ДТ(/, /, /) t ,l6kll MV2
ДТ’стац ~Л?т + яЗ/2^	’
(IV.124)
4/2ср0	.	...
где г s= —" ~~ постоянная времени термоэлемента,
Из (IV. 122), (IV. 123) следует, что время охлаждения квадра-
тичным образом зависит от длины термоэлемента, а также от плот-
ности тока через термоэлемент; при плотностях тока больших оп-
тимальной, время достижения минимальной температуры резко
уменьшается (рис. IV.39).
Зависимость инерционности термопарного охлаждающего эле-
мента от его геометрических размеров и значения протекающего тока
замечена еще в ранних работах [40, 81, 86, 132].
Учет теплоемкости коммутационной пластины и охлаждаемого
объекта. Температура охлаждаемого объекта и коммутационной
пластины для случая, когда перепадами температуры на них можно
пренебречь, определяется по формуле
Т(х,
Р/?/ + ^-а/Т0
+---^71---*+
175
+	б“3 exp (—a0S^) sin (х6„) X
П=1
6П - S" Sin + — X°CS6" tC0S (/S«) - 11
cos(/в„) (1 + ”/~^C-5n /)- 6„sin (/6„) 6 +
(IV.125)
Рис. IV.39. Зависимость относи-
тельного снижения температу-
ры ДТ/ДТстац при различных
токах ^/ — /7/опт» кратных оп-
х
тимальному, от времени—-—>
кратного постоянной вре-
мени термоэлемента т, /н —
начальный момент времени:
=»!,();	2~ kj = 1,5;	3
kj = 0,5; 4 — kj = 2» S « k j = 4{
6 ^kj = 3[133].
где бл —- корни уравнения
с5 — суммарная теплоемкость коммутационной пластины и охлаждае-
мого объекта, отнесенная к площади поперечного сечения ветвей
термоэлемента [2]. Аналогичное выражение получено в [73].
Учет теплоемкости объекта, теплообмена с окружающей средой
и тепловыделения q± охлаждаемым объектом. Введя безразмерные
параметры [13]
©₽2Т, хй*=хЦ, Fos=^, Bii = 211,
=	. Кн:=— , ?к = ^, V— ~i, (IV.126)
,с С1 н х р/ х 1	4 ч
выражение для температуры холодного спая можно записать в виде
V0O —0,5V? —/С VI	9
0(Fo)^0o--------i4TY + Bif +L ^exp(-6?Fo). (IV.127)
n=l
В формулах (IV.126) ц (IV.127) сс/ г-коэффициент теплообмена по-
верхности охлаждаемого объекта, Cf — теплоемкость коммутацион-
ной пластины и охлаждаемого объекта, приходящаяся на единицу
поверхности холодного спая, С — объемная теплоемкость термоэле-
176
мента, рк — электрическое сопротивление перемычки иа. единицу
площади. •
А _ ________[6п (v6q — Кн) sin 6П — уЗ (1 — cos 6П)]_
2	[6п (2ПС + 0 sin й« + (Псбп — 1 — v — Bii) cos 6„]
(IV.128)
6n — положительные корни трансцендентного уравнения
(1VJ291
Перепад температуры между спаями
Д0 »= Д0стац —f (Fo),	(IV.130)
где
f (Fo) V	exp (—62Fo),	(IV. 131)
veo-(0,5 + b)v!-X.
40™«=----------г+тття—= 	(IV',32>
Максимальный перепад температуры достигается при плотности
^+2©0В£ + 2Кн(1+2Вк)]1/2-В5
vr _	,	(IV. 133)
при этом максимальный перепад температуры
ДбМе?ац >= 00 +	+ 20ов£ + 2Ка (1 + 2gK)]’'2,
B£M1+Bii)(l+2&K)-	(IV.134)
Два первых корня и 62 уравнения (IV. 129) приведены в
табл. IV. 3.
Коэффициенты Ап определяются по формуле
коэффициенты В^ и В'п для первых двух членов ряда (IV. 127) при-
ведены в таблице гл. V. В предельных случаях, когда Fo велико:
Р	т)с->0, v+Bii-^О, Ли=0
Д0 ₽ Д0стац - 8^"^ exp (- J Fo) j (IV.135)
при
y + Bif> 1, KH>=0	(IV.136)
А0 «= Л®стац + n2(v4^ Bii) ехр (-л5Р°)>
177
Т а б л и ц a IV.3
00 Значения 6* и 62 [/5]
													
fic	0	0,25	0,5	1.0	1,5	2,0	3,0	4,0	5,0	7,5	10	15	20
0,0	1,571	1,715	1,837	2,029	2,175	2,288	2,456	2,570	2,654	2,786	2,863	2,948	2,993
	4,712	4,765	4,816	4,913	5,004	5,087	5,233	5,354	5,454	5,639	5,761	5,908*	5,992
о,1	1,429	1,568	1,695	1,896	2,054	2,181	2,370	2,503	2,600	2,754	2,842	2,937	2,987
	4,306	4,351	4,397	4,489	4,582	4,672	4,846	5,003	5,142	5,413	5,599	5,819	5,937
0,25	1,265	1,401	1,520	1,721	1,885	2,022	2,235	2,392	2,509	2,698	2,806	2,919	2,976
	3,935	3,965	3,994	4,057	4,124	4,193	4,338	4,487	4,633	4,972	5,248	5,615	5,816
0,5	1,077	1,199	1,307	1,494	1,652	1,790	2,017	• 2,197	2,339	2,585	2,730	2,882	2,954
	3,644	3,659	3,673	3,705	3,739	3,776	3,857	3,947	4,046	4,315	4,598	5,092	5,462
1,0	0,860	0,960	1,049	1,208	, 1,345	1,467	1,678	1,858	2,012	2,316	2,529	2,777	2,897
	3,426	3,431	3,437	3,448	3,461	3,474	3,503	3,536	3,573	3,686	3,829	4,179	4,553
при
1}с> I
Д0 = Д0ста11 [ 1 — exp (—	Fo
(IV.137)
Когда Fo мало, лучше использовать выражение
- Ян 4
-------Fo Н--7=
’к	з/л
6 (Fo) = ©о
у©о — Кн + r]cv2 роз/2 _ (Уво-Ян)[1-Пс (v + Bii)] + nCv^
rfc °	' 2т)с •	Х
(v0o - Ки) [1 -2nc (v + Вй)] +
,___8	+ Псу2 [ 1 ~ ПС fo + Bii)]	Fo5/2	".
15/л	т)с
(IV. 138)
При малых значениях теплоемкости т]с
о	__
0 (Fo) = ©о - -== (v©0 - Кн) /Fo + [(v0o - Кв) (v + Bi,) +
у эт
+ v2] Fo - -±= [(v©0 - Кн) (V + Bit) + v?J (v + Bit) Fo3/2+
Зул
+ у t(v®0 - Ка) (V + Bij) + v2] (v + Bij)2 Fo2 - • •.
(IV.139)
Получены выражения, описывающие переходные процессы в ряде
специальных случаев: при учете теплообмена горячих спаев с окру-
жающей средой [13]; при учете теплообмена с боковыми поверхнос-
тями термоэлемента и влияния температурных зависимостей парамет-
ров термоэлектрического материала [131]; при постоянном напряже-
нии питания термоэлемента [36]; для медленных переходных про-
цессов [46, 48, 74].
В целом из анализа переходных процессов в охлаждающих тер-
моэлементах может быть сделан ряд практических выводов: для не-
больших масс охлаждение за заданное время /0 может достигаться
выбором длины термоэлемента (/0 ~ Z2) и плотности тока, некоторое
увеличение быстродействия может быть достигнуто при использова-
нии ветвей термоэлементов переменного сечения, например, коничес-
кой формы [1]; при больших массах охлаждаемых объектов пониже-
ние температуры за заданное время достигается правильным выбо-
ром холодопроизводительности термоэлемента.
Описание переходного процесса моделью термоэлемента с вет-
вями бесконечной длины. Анализ работы термоэлемента, особенно
в начальные промежутки времени или при токах, существенно боль-
ших оптимального, может производиться для модели термоэлемента,
в которой не учитываются тепловые эффекты на горячих спаях
179
(рис. IV.40, а), т. е. модели с ветвями такой длины, чтобы влия-
нием горячих спаев можно было пренебречь [6, 8, 25, 26, 27, 65,
121]. При описании свойств термоэлемента без учета теплообмена с
окружающей средой модель термоэлемента с бесконечными ветвями
может быть заменена моделью из двух полупространств (рис. IV.40, б).
Изменение температуры на спае после включения тока [6, 8]
АТ^=Т0
(1 — ехр & erfc <т£)
где То — начальная температура,
____2_ Л '
л ZT о
(IV.140)
+ Ц
zr0 ;
y-t (IV141)
X
Из (IV. 140) следует, что кроме
критерия Иоффе Z для нестационар-
ного режима можно ввести критерий
от которого также зависит сте-
пень охлаждения.
Из (IV.141) следует t ~ 1/j? (т. е.
при увеличении плотности тока время
Рис. IV.40. Модели термоэлементов
с ветвями бесконечной длины (а) и
в виде полупространств (б):
/ — п-ветвь; 2 — р-ветвьj 3 =- адиабатичес-
кая изоляция [8].
достижения минимальной температуры убывает квадратично с ростом
тока). Из (IV. 140) при заданном Z определяется соответствующее
экстремальному значению АТ:
ехр erfc
XT ;__ ___________ °
1 — V Л<7^0 ехр erfc
Для простейшей модели (см. рис. IV.40) АТмакс не зависит от
тока, т. е. в принципе можно достичь сколь угодно быстрого
охлаждения. Однако экспериментально при возрастании плотности
тока наблюдается уменьшение АТ, вызванное тепловыделением на
спае. Влияние контактного сопротивления рассмотрено в работе [25].
Анализ результатов проведен для зависимости температуры охлаж-
дения от времени в виде
оо
Г (/) = Го + -^ /?/ - ft У (-!)«Z? erfc (т +X
ZvU	HU Jhbb	\	Z /
т=0
СО
X — —-Ч Vat У (—1 )т [t erfc т ?___________— i erfc (т 4- 1) .Т 1.
Vaot *	L Vaot T /a»d
m=0
(IV.143)
1ЙП
где
in erfc (x) s= J in"1 erfc (g) d (£).
X
При малых t < l2-/a0 в формуле (IV.143) можно ограничиться
членами с /и^=0:	__
т (t) « т0 + (/ /7)? - v	<IV-144)
Учет контактного сопротивления достигается вычитанием из тепла
Пельтье половины тепла Джоуля, выделенного на спае:1/2/2рк$сп и
ду, ______ П20 Л _ . pKScn\~
Л2макс~ п% 1 2П / ’
(IV.145)
где scn — площадь контакта. Из
(IV. 145) следует, что при возраста-
нии тока ДГмакс убывает к нулю при
. 2П
Рк5СП
Рис. IV.41. График зависимости ох-
лаждения от времени при токах, ббль-
(.	л \
ших оптимальных / >	].
\	2 'опт/
Из (IV. 144) определяется [24] связь между временем достиже-
ния максимального охлаждения /макс и временем, при котором спай
находится ниже заданного уровня температуры (рис. IV.41) ДТ s=
- То - Т (/):
(ЛТ \ 1/2
'макс-	(IV.146)
макс/
Из формулы (IV. 146) следует, что при уменьшении времени дости-
жения минимальной температуры соответственно уменьшается и ин-
тервал Д/. Учет рк приводит к уменьшению ДТмакс, /макс, М.
Результаты, полученные для полупространства, могут быть при-
менены к термоэлементам с ветвями конечных размеров, если ввести
критерий полупространства, задавшись длиной ветви /2>х*, для ко-
торой градиент температуры в точке х* меньше градиента в области
спая в 6' раз. Из этого условия следует выражение
тД= ехр (— В2) — (1 + 2^В0) erfc Во +
Ул	и
g, _ + (1 + zro) ехр (2^В0 + ^2) erfc + Bq) . (IV и7)
2//л—1+(1+Z7’0)exp^?erfc^ ' ’	'	'
rfleB° = 2W'
181
Для ZT0 в интервале 0,2 —1,6
х* х= 3,7 Уа0/макс при 6'	0,01,
X* = 2,9 УД^макс ПРИ 6' = 0,05.
Из условия (IV. 141) определяются токи, при которых удовлет-
воряются условия полупространства:
jm/jonT~2,24 для б'= 0,01,
im/iom-l,75 для 6'= 0,05,	(IV.148)
т. е. термоэлемент длиной I может считаться полубесконечным для
токов jnii более чем в 2,24 раза превышающих ток /0 в интервале
времени от 0 до /макс (/макс — время, за которое достигнуто макси-
мальное снижение температуры ДТ).
2. Охлаждение при питании термоэлементов
зависящим от времени током
Анализ переходных процессов в термоэлектрическом холодильнике
при его питании постоянным током показывает, что наибольшие пе-
репады температуры могут быть достигнуты в стационарном режиме
при значении тока, равном оптимальному. При токах, больших оп-
тимального, как уже отмечалось, достигается большее быстродей-
ствие, однако при этом охлаждение кратковременно при перепадах,
меньших стационарного.
Возможности получения более глубоких охлаждений реализу-
ются при питании термоэлементов зависящими от времени токами.
Исследованию таких режимов посвящен ряд работ [6, 7, 8, 17, 27,
65, 73, 80, 121]. Из них, в частности, следует, что при исполь-
зовании нарастающих во времени токов максимальное снижение тем-
пературы нестационарного режима может приближаться к стацио-
нарному, если ток нарастает по степенному, или экспоненциальному,
закону. В работе [7] при использовании степенной зависимости тока
от времени
(IV.149)
(/0, т — постоянные, п — показатель степени) получено выражение
для максимального снижения температуры:
(IV.150)
р (п) с ростом п асимптотически стремится к пределу:
Р(«) L-.00 =-f- .
т. е. в принципе могут быть получены охлаждения, несколько пре-
вышающие стационарные. Специально исследованный режим нараста-
ния тока, при котором достигается охлаждение, большее стационар-
ного, носит название режима экстремального тока. Наиболее полно
он описан в работах [24, 27, 77, 121].
Режим экстремального тока. Для модели термоэлемента с беско-
нечными ветвями (модель полупространств см. на рис. IV.40) при
182
протекании зависящего от времени тока плотностью / (/) снижение
температуры [27, 121] дается выражением
дт (М «
П 2 I (?) Рк5СП
X
лГ i (Г) __ рДр /2
V л/ t^t *
(IV.151)
экстремальный ток, соответствующий максимальному ДТ (/0)>
/экстр 2рУла0(/0-О + рк«сп’ .
Где tQ _ продолжительность импульса, рк — контактное сопротив-
ление.
Наибольшее значение тока при t s= /0
_ П
^макс ' п <г *
"к5 СП
Снижение температуры
Дикстр >= ^мТакЦс In (2р /яа',<0 + 1) .	(IV.153)
\ "к5СП	/
Изменение температуры спая за время /0 определяется из выра-
жения
ду’/л^-дТ’Стац [ 1 /?о + Vj_
(> А макс я[уп yt^Tt
Pi	(ф _ Pi/? У] _ 1 Ап /<o + &i
2(1—Pj)\ Vt0 + bi)\ 2 у y^-t+bi
,	___рИ
Vto + bi 1+^1/’
(IV.154)
где
Рк8сп	b-^	_	2	. Kt
u-.------ r	„ ф __	arctg —
2p Упа0 Vt0 — t У i _
При ₽i < 1,
При Pl> 1,
K|=/,.	(1V.155)
Для более точных расчетов необходимо учитывать температур-
ную зависимость коэффициента Пельтье П?=аТ, теплоемкость спая,
183
теплообмен с окружающей средой. Экспериментально в режиме экс-
тремального тока получено охлаждение, в 1,35 раза превышающее
стационарное.
Комбинированный режим. По этому режиму через термоэлемент
вначале пропускается оптимальный ток до установления стационар-
ного режима, затем подается импульс тока, вызывающий дополни-
тельное охлаждение.
Впервые комбинированный режим был реализован Л. С. Стильбан-
сом и Н. А. Федоровичем [73]. При пропускании через термоэлемент на-
ходящегося в стационарном режиме (j s= /опт, АТ^^=40°С) тока,
в два раза превышающего оптимальный, получено дополнительное ох-
лаждение на 12° С. Математическое описание комбинированного режима
для простейшей модели, учитывающей только тепло Джоуля в
объеме термоэлемента и эффект Пельтье на границе, приведено в
работе [80]. Получены выражения для температуры спая в зависи-
мости от времени и тока. Ток через термоэлемент в зависимости от
времени описывается функцией
/ (О~/о [1 + "Ч f(/)],	(IV.156)
где /о — не зависящий от времени ток, протекающий через термоэле-
мент до включения дополнительного тока /$, mf ~ /1//о, f (0 —
функция, характеризующая зависимость от времени тока fa.
Для единичного импульса тока
f(O = Td(/-fH).	(IV.157)
Изменение температуры представляется формулой
*
АГ (/, /) = АГ (t, h)	у ^(2n+l)«—— _
дустац д^стац лЗ в
макс	макс	п=о
(/ - /н)
--И2 (2'”< + ’”1,)Д| (-1)"—JS+i— •	<IV158>
n=0
где т — постоянная времени, 6 (t — /н) — дельта-функция Дирака.
/н — время, соответствующее началу действия импульса К/=/7/0Пт»
Функция Т (/, /о) описывает переходный процесс в термоэлементе
при токе /о Д° включения импульса тока. Изменения температуры
спая для различных Kj и mi приведены на рис. IV.42. Для началь-
ных моментов времени получены температуры, большие оптимальных
(т. е. получено дополнительное к оптимальному снижение темпера-
туры). Необходимо, однако, иметь в виду, что формула (IV. 158) не-
надежна для описания в начальные моменты времени при t -+
из-за расходимости рядов. Кроме того, в модели не учтено сопро-
тивление спая,
В [80] получены аналогичные выражения для ступенчатой функ-
ции тока и для случая, когда на постоянный ток /0 наложен пере-
менный, изменяющийся по гармоническому закону. Влияние пульса-
ций тока на параметры охладителей рассмотрено в работах [68, 117].
184
В работах [96, 97]. рассмотрены переходные процессы при малых
импульсах тока I (t) = /0 + i (/), в которых значением i? (/) можно
пренебречь по сравнению с 7^- Установлена возможность приближе-
ния малых импульсов при токах, не более чем в два раза превы-
шающих оптимальный.
Охлаждение в комбинированном режиме оптимальный ток —
прямоугольный импульс с учетом контактного сопротивления. Воз-
можности такого охлаждения рассмотрены в работе [8]. Установле-
Рис. IV.42. Относительное измене-
АТ (/, /)
ние температуры----------—— со вре-
А^мако
менем —-— для различных и
/пр
/ —К/ = 1,	« 0,5; 2 — Ку== 1, т1 =»
- 1; 3 —Kj = о,5,	» 0,5; 4 — Kj=*
e 0,5,-	= 1; 5 — Kj e 0,5, tnt = 2;
6 — Kj — 0,5,- '	= 3 [80].
bT(t.j)
. тгстац
Д/ макс
но, что результирующая разность температур может быть представ-
лена как сумма:
Го - Т2 = (Го - Tt) + АТС, ‘	(IV. 159)
где Tf — температура стационарного охлаждения холодного спая
оптимальным током, АТС — дополнительное охлаждение прямоуголь-
ным импульсом тока, определяемое как
ДТ’с = Tf Г( 1 - ехр erfc	£*.1, (IV.160)
L	\ г/ у л iJ
где 7=1— р2,
Р =___________2(Т0-7\)
2	TI(/l+2Zre-l)(l+/i//onT)’
— см. (IV.141).
Максимальное значение АТС достигается при определенном
из условия
1	ехр erfc
ZTi = 4-------77=-----—Ч------— •	(IV.161)
* 1 — у jW0 ехр erfc
Численный анализ (IV.159) — (IV.161) позволил установить [6],
что рассмотренный режим делает возможным охлаждение, превосхо-
дящее стационарное примерно на 50%. Учет контактного сопротив-
ления накладывает ограничения на соотношение оптимального и им-
пульсного токов:
опт)опт =
(г — сопротивление термоэлемента).
185
Влияние контактного сопротивления проанализировано и в ра-
боте [26]. Получено дополнительное охлаждение в комбинированном
режиме
= А дт^тац	~Л/j	(IV.162)
Я^макся/+ Ц<рр+ 1 / '	UV '
где
ф =-^.
PkSCII
На рис. IV.43 приведена зависимость дополнительного охлажде-
ния от импульсного тока. Наличие максимума на зависимостях 2, 3
Рис. IV.43. Зависимость значения
дополнительного охлаждения
ДТс/ДТс?ац от импульсного тока
^/ — ///опт чеРез термоэлемент:
1 — расчетная без учета сопротивления
спая; 2 — расчетная с учетом сопротив-
ления спая p^scn = 7 • 10—5 Ом • cm2j
3 — экспериментальная.
обусловлено влиянием контактного сопротивления при больших то-
ках и неэффективностью импульсного охлаждения при малых токах.
Охлаждение при многоступенчатом комбинированном режиме.
Дополнительное охлаждение от импульсов тока прямоугольной формы
может быть получено при их последовательном воздействии. На
термоэлемент, предварительно охлажденный оптимальным током,
подается импульс тока, приводящий к максимальному дополнитель-
ному охлаждению. После окончания первого импульса подается вто-
рой, большего значения и меньшей продолжительности, так, чтобы
охлаждение, вызванное первым импульсом, можно было считать
стационарным. Второй импульс также приводит к дополнительному,
более глубокому охлаждению. Повторяя эти же условия для третьего
и дальнейших импульсов, можно получить дополнительное охлаж-
дение от многоступенчатого тока. Экспериментально такой режим
был подобран в работе [116] (рис. IV.44). Анализ многоступенча-
того режима проведен в работе [6].
При учете сопротивления контакта относительное охлаждение
для i-й ступени импульса тока
т0-П
То
Л , г. . Рк
(+1 + Л+12^/1
 2 То - Т®
Т----, (IV.163)
1 о
т0-т°(
где —=-------относительное охлаждение без учета сопротивления
1 о
контакта. Оптимальная кратность токов дается формулой
Ui+i/ii)om = У yD.	(iv.164)
186
Из формул (IV. 163), (IV. 164) следует, что по мере нарастания коли-
чества импульсов оптимальная кратность убывает, убывает и вклад
в общую разность температур. Ступенчатое охлаждение, наклады-
ваемое на стационарный режим, приводит к следующей оптимальной
кратности тока:
= А (A) = у/А
\^стац/опт	Рк vl/опт ' Рк V*—1/опт	' Рк
(IV. 165)
Из формул (IV. 163) — (IV. 165) следует, что при использовании мно-
гоступенчатой зависимости тока резко возрастают требования к зна-
Рис. IV.44. Экспериментальная зависимость охлаждения от много-
ступенчатого тока:
1 — изменение температуры; 2 — изменение тока [116].
Рис. IV.45. Зависимость максимального дополнительного охлажде-
д'рКОМб
ния —холодного спая термоэлемента в режиме оптим-альный
Аймаке
ток — экстремальный ток от длительности импульса /0 [26].
чению контактного сопротивления: оно должно быть минимальным.
В реальных условиях применение более трех ступеней нецелесооб-
разно.
Охлаждение в режиме оптимальный ток — экстремальный ток.
Для этого случая [26]
= ДТ’мГкс ~ 1П	+ 1) -
макс макс л I рк$сп 1 j
2	____ ________
А'гстац 2	i о у	v	П\т
-ДГ“аКс^(фр+1)2(12----------•	(IV-166)
Экспериментальные значения превышения над стационарным
охлаждением в зависимости от длительности импульса приведены
на рис. IV. 45: получено наибольшее охлаждение, в 1,5—1,6 раза
превосходящее
187
Отметим существенное влияние теплоемкости тепловой нагрузки
на эффективность нестационарного охлаждения. Для массивных
охлаждаемых объектов с большим коэффициентом теплопроводности,
например металлов [6], эффект охлаждения практически отсут-
ствует. У веществ с малым коэффициентом теплопроводности (изо-
ляторов) может быть охлажден только тонкий слой, прилегающий
непосредственно к холодному спаю. Этими причинами в первую
очередь ограничиваются возможности широкого применения неста-
ционарного охлаждения.
3. Оптимальное управление процессом
термоэлектрического охлаждения
Задача сводится к определению функции, описывающей зависимость
тока питания термоэлемента от времени, при котором достигается
максимальное снижение температуры. Задача сформулирована и ре-
шена в работах [65, 66] для двух моделей термоэлемента: с полу-
бесконечными ветвями и с ветвями конечной длины. Учтены сопро-
тивления спая, теплоемкость тепловой нагрузки и конвективный
теплообмен с ветвями термоэлемента.
Температура спая определена интегральным уравнением
вад = в, (i +2-^—' К(, j+У J w +
+ у-от-мо + впестЛ е [011L (]V |Я)
У л у — t J
где 0 s= ZT, 0O ZTq — безразмерные температуры, To — темпера-
тура окружающей среды, Bi° s=--------безразмерный коэффициент
теплообмена, s= р^/р, Fo ?= Jy	безразмерное время, tx ——
приведенное время, tx — время нестационарного охлаждения (Fo С
о а£к
6 [0; £J), V S= — безразмерная плотность тока, рк' = рк5сп.
Оптимальная форма тока питания v* (/) определяется из замкнутой
системы уравнений относительно переменных 0 (/), v(/), ц(Л, куда
входят (IV. 167) и уравнения
i	1
(IV. 168)
188
0(0
V (О - ~2----------------------------;-----------’
/Н Vt\ (* + J H (0 dt -ji7T=7d/)+</(^
~tx
(IV.169)
где
. d (txy = i - v г=т; f Г-7=L^4= - д!2_1 dt,
J[Vi-tVt-tx ]^t-tx]
6(U-/n(v (Q + Bi°)‘
Решение системы (IV. 167) — (IV.169) производится методом после-
довательных приближений.
Для модели термоэлемента с ветвями конечной длины изменение
температуры на холодном спае описывается уравнением
fb(t)W (L — /) 0 (0	0 Г	2
е (/х) +	J2—.....dt = во + t°x [v? (о - v2] х
J И ч * -	J
о	о
V?x f	w(tx- ty
y,x(tx-t)dt + -7^ [Bi<>eo + v*(0+4°] dt, ^[0,1],
V П J	у tz — t
0
(IV. 170)
где
в° = [|?0f + £Bi°0o + 0,5 (l+2g)	(v0 + Bi + £)-irl.
Л» == [v0 + Bi°] B° — Bi°©0 — v2,
аВк
I != p^/pZ ^//, v0 — /0 — безразмерный начальный ток, Of s=s
x
s= ZTi — безразмерная температура горячего спая.
189
Функция тока определяется из системы уравнений относительно
v(/x), P-(Q» Vo, куда входят (IV.170) и уравнения
w (t - tx) |X (i)
...Vt=lx dt = b^x
b (t) W (1 — t) W (t — t )
dt,
(IV.171)
У i — t Vt — t.
0(^
v(U = —
a(u
VnV?xV'^ttf(tx) + a(tx)
v0 = - (Bi» + g) + V(Bi» +. I)? + 2 [Г-©! +
* + gBio e0 + kv0 (v0 + Bi» + g)2] (1 + 2g)-\
(IV.172)
(IV. 173)
где
a(Q = TT(l
H (0 X
b(tx)
Дму^,) + М|)]Х(1-0<дс
0
a(t)
k = Wj
_ у-о a(t)
y—t * ^y^y—t
Из .анализа (IV.170) — (IV.173) следует, что влияние теплооб-
мена ветвей термоэлемента на перепад температуры в нестационар-
ном режиме значительно меньше, чем в стационарном. Возможности
нестационарного охлаждения существенно ограничиваются при уве-
личении теплоемкости охлаждаемого объекта и коммутационной пла-
стины. Например, при § = 0,01, Bi = 0 и теплоемкости перемычки,
в 10 раз большей по сравнению с обычно используемой, максималь-
ноё охлаждение в нестационарном режиме всего на несколько про-
центов больше, чем при охлаждении в стационарном режиме.
190
4. Изменение температуры холодного спая
по заданному температурному закону
Задача сводится к определению функции тока / (/), для которой
температура спая удовлетворяет требуемой зависимости от времени
Т (/). Для нахождения приближенного решения [24] интервал вре-
мени 0 — t разбивают на m частей, ток /7 в каждой из них считается
постоянным. Используя принцип суперпозиции, можно записать
k
дга=2дг«’	<iv-174)
1 = 1
где
Й 4 S (2?W [П'* - fep 4 Р//|] X
/1=0
X [ехр (2л + 1)?	_ 1] х
X ехр[—(2л + 1)?^ ?°{tk ~ ^-1)1, (IV. 175)
tk — ti-i — время от момента включения тока // до момента наблю-
дения, ti — ti_i —- время протекания тока fa.
Для малых промежутков времени, когда tk — /ui 1*!а^ вместо
(IV. 175) можно записать
ДТ,- = ^-р-0 7,-	fl (tl -
к у Я	X	/
(IV.176)
Значения токов ji определяются, как для многоступенчатого
тока: при известном начальном Д7\ из (IV. 175) или (IV.176) опре-
деляется /j, далее из условия ДТ =	+ AT2j определяется ДТ21,
а из ДТ22 = ДТ2—ДТ21 с учетом (IV. 175) или (IV.176)'—/2 и т. д. По
известным ji строится зависимость fat) для воспроизведения ДТ (/)• При
расчетах необходимо учитывать сопротивление спая, для чего в форму-
лах (IV.175), (IV. 176) необходимо коэффициент П заменить на П* =
= П —pKscnJ. Пример управления температурой холодного спая
приведен на рис. IV.46.
Более точная методика определения j (t) описана в работе* [37].
Исходное интегральное уравнение, связывающее приведенный ток
v (Fo) с приведенной управляемой температурой 0^O)(Fo), имеет вид
' Fo
v (Fo) = [0(О> (Fo)]-1 [gv? (Fo) + p (Fo - t) X
X v2 (0 dt + Ф (Fo, 0(0’ (Fo))],	(IV.177)
191
где
Ф (Fo, 0(O’(Fo)) = -Пф®'0’ (Fo) + Bi» (0O - 0(O> (Fo)) +
Fo	Fo
+ ^0 — f «3 (1, Fo - t) 0(O) (!) dt — V* f k (0 dt,
6	Q
& (Fo) =a8(l, Fo)-M0, Fo),
Рис. IV.46. Управление температурой спая по заданному
закону для термоэлемента с / = 0,4 см, s = 0,15 см2, рк —
=х7 • 10~5 Ом:
1 — заданная зависимость ДТ (f); 2 — вычисленная зависимость / (f);
3 — экспериментально наблюдаемая зависимость ДТ (/) [24].
Рис. IV.47. Воспроизведение периодического изменения
температуры по трапецеидальному закону:
а — заданное изменение температуры; б — управляющие токи; Bi = 5;
т)ф = 0,1; 5 = 0,01 [37].
»8 (1, Fo) = 1 + 2 5] exp (~n2FFo),
‘	(0, Fo) = 1 + 2 £ (-1)* exp (-nWo),
fc=l
^0 = (Vo + Bi») Bo - Bi»0o - £v02,
Bo = [Bi + Bi»0o + (0,5 + 0 v2] (v0 + Bi» + l)-\
Лф = g/cl — теплоемкость нагрузки, v0 — начальный стационарный
ток, другие обозначения такие же, как в (IV. 167). Решение уравне-
ния (IV. 177) можно находить методом последовательных приближе-
ний, методами теории нелинейных колебаний и др. Пример решения
192
приведен на рис. IV.47. Помимо выбора функции тока для управ-
ления нестационарным процессом термоэлектрического охлаждения
в работе [21] показано, что требуемое изменение температуры может
достигаться путем применения термоэлемента переменного сечения
ЛИТЕРАТУРА
1	Алексеев А. М., Иорданишвили Е. К., Малкович Б. Е.-Ш. и др. Исследо-
вание термоэлектрического охлаждения на термоэлементах переменного
сечения. — ЖТФ, 1977, 47, № 1, с. 865^-872.
2.	Анапгычук Л. И. Вихревые термоэлектрические токи и возможности их пра-
ктического использования: Дис.... д-ра физ.-мат. наук. — Черновцы. 1973.—
217 с.
3.	Анапгычук Л. И., Михайленко А. В., Павлова Л. В. О конструировании тер-
моэлектрических охладителей с ограниченным теплоотводом. —Изв. вузов.
Приборостроение, 1976, 19, № 2, с. 113—116.
4.	Анапгычук Л. И., Панасюк В. И., Мельник А. П., Михайленко А. В. Метод
оптимизации термоэлектрических охлаждающих устройств. — Изв. АН СССР,
wCep. Энергетика и транспорт, 1977, №1, с. 163—165.
5.	"Бабин В. П., Иорданшивили Е. К. Оптимизация параметров многокаскад-
ного термоэлемента из полуэлементов произвольной формы. — ФТП, 1967.
1, № 3, с. 449—451.
6.	Бабин В. П. Некоторые вопросы нестационарного термоэлектрического
охлаждения: Автореф. дис.... канд. техн, наук.—Л., 1969.—16 с.
7.	Бабин В. П., Иорданшивили Е. К. Охлаждение при питании холодильных
элементов током специальной формы.— ФТП, 1969, 3, № 5, с. 28—32.
8.	Бабин В. П., Иорданшивили Е. К. О повышении эффекта термоэлектриче-
ского охлаждения при работе термоэлементов в нестационарном режиме.—
ЖТФ, 1969, 39, № 2, с. 399-406.
9.	Бурштейн А. И. Исследование стационарного теплового потока, протекаю-
щего сквозь проводник с током,—ЖТФ, 1957, 27, № 7, С. 1510—1520.
10.	Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых термо-
электрических устройств.—М.: Физматгиз, 1962.—136 с.
11.	Вайнер А Л. Каскадные термоэлектрические источники холода.—М.! Сов-
радио, 1976.—137 с.
12.	Вайнер А. Л., Коломоец И. В., Лукишкер Э. М., Ржевский В. М. К тео-
рии составного термоэлемента.—ФТП, 1977, 11, № 3, с. 546—552.
13.	Венгеровский Л. В., Каганов М. А., Ривкин А. С. Переходные процессы в
термоэлектрических устройствах.— Сб. тр. по агрофизике, 1970, вып. 25, с.
70—86.
14.	Вихорев Г. А., Наер В. А. Влияние теплоотдачи на характеристики полу-
проводниковых термобатарей для холодильников и тепловых насосов.—
ФТТ, 1959,1, № 6, с. 903—907.
15.	Воут Р. Расчет термоэлектрических холодильников.—В кн.: Термоэлектри-
ческие материалы и преобразователи. М., 1964, с. 262—288.
16.	Гарачук В. К-, Лавренченко Г. К-, Наер В. А. А. с. 182778 (СССР). Низко-
температурное устройство.—Опубл. 09.06.66.
17.	Гринберг Г. А. О нестационарном режиме работы охлаждающих термоэле-
ментов.—ЖТФ, 1968, 38, № 3, с. 418-424.
18.	Гудкин Т. С., Иорданшивили Е. К, Фискинд Е. Э. К теории анизотропного
термоэлектрического холодильника.—ФТП, 1977, 11, № 9, с. 1790—1794.
19.	Ефремов А. А Методика расчета термоэлектрических охлаждающих уст-
ройств по термодинамическим параметрам.—В кн.: Термоэлектрическое ох-
лаждение. М., 1973, с. 3—25.
20.	Ефремов А. А. Основные соотношения для численного расчета термоэлек-
трических охладителей и нагревателей при вынужденном конвективном
теплообмене на теплоконтактных поверхностях.— В кн.: Термоэлектрическое
охлаждение. М., 1973, с. 49—54.
21.	Иванова К- Ф-, Каганов М. А., Ривкин А. С. Управление нестационарным
процессом термоэлектрического охлаждения путем изменения геометриче-
ской формы ветвей термоэлемента.— ИФЖ, 1977, 32, № 3, с. 474—478.
22.	Иорданишвили Е. К., Стильбанс Л. С. Термоэлектрические микрохолодиль-
ники.—ЖТФ, 1956, 26, № 2, с. 482—483.
23.	Иорданишвили Е. К- Об эффективности холодильных термоэлементов.—
ФТТ 1959, 1, № 4, с. 654-655.
24.	Иорданишвили Е. К., Малкович Б. Е.-Ш. О возможности управления тем-
пературой холодного спая термоэлемента.Вопр. радиоэлектрон. Сер.
ТРТО, 1971, № 2, с. 74—81.
7 9-413
193
25.	Иорданишвили Е. К., Малкович Б. Е. -Ш., Хазанович И. И. Эксперимен-
тальное исследование нестационарного термоэлектрического охлаждения.
I. Режим постоянного тока.— ИФЖ, 1971, 21, № 4, с. 632—638.
26.	Иорданишвили Е. К., Малкович Б. Е.-Ш. Экспериментальное исследование
нестационарного термоэлектрического охлаждения. 3. Комбинированный
режим.—ИФЖ, 1972, 23, № 3, с. 499—505.
27.	Иорданишвили Е. К-, Малкович Б. E.-UI.t Вейц М. Н. Экспериментальное
исследование нестационарного термоэлектрического охлаждения. 2. Режим
экстремального тока.— ИФЖ, 1972, 22, № 2, с. 220—226.
28.	Иоффе А. Ф-, Стильбанс Л. С., Иорданишвили Е. К., Ставицкая Т. С
Термоэлектрическое охлаждение.—М.; Л.: Изд-го АН СССР, 1956.—108 с.
29.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы.—М.; Л.: Изд-во АН
СССР, I960.—188 с.
30.	Иоффе А. Ф. А. с. 126158 (СССР). Термоэлектрическая батарея.—Опубл.
10. 02. 60.
31.	Иоффе И. А. Влияние электрического сопротивления коммутационных плас-
тин на эффективность термоэлектрического охлаждения.— В кн.: Полупро-
водники и радиотехника в агрофизических исследованиях. Л., 1966, с. 146—
149.
32.	Исихара Т., Цудзимото Й. Пат. 12741 (Япония). Магнитный термоэлек-
трический прибор.— Опубл. 22.06.65.	—
33.	Каганов М. А-, Привин М. Р. Расчет оптимальных параметров термоэлек-
трических охлаждающих устройств.— В кн.: Полупроводники и радиоэлек-
троника в агрофизических исследованиях. Л., 1966, с. 134—145.
34.	Каганов М. А., Привин М. Р. Оптимизация параметров термоэлектрических
охлаждающих устройств с учетом теплоотдачи на спаях.— Изв. вузов. Энер-
гетика, 1968, № 3, с. 78—85.
35.	Каганов М. А., Привин М. Р. Термоэлектрические тепловые насосы.— Л.:
Энергия, 1970.—176 с.
36.	Каганов М. А., Ривкин А. С. К расчету нестационарного теплового режи-
ма в термоэлектрических холодильниках при постоянном напряжении пита-
ния.—Сб. тр. по агрофизике, 1971, вып. 30, с. 67—72.
37.	Каганов М. А., Ривкин А. С. Воспроизведение заданного временного хода
температуры с помощью полупроводниковых термоэлементов.— ИФЖ, 1973,
24, № 5, с. 902—907.	,
38.	Калугин Ю. Н., Мелик-Давтян Р. Л.', Панарин А. Ф., Строкан И. В.
Исследования возможности получения глубокого охлаждения холодильни-
ками Пельтье и Эттингсгаузена.— В кн.: Физика твердого тела. Л., 1973,
с. 84 — 91.
39.	Коленко Е. А. Термоэлектрические охлаждающие приборы.— Л.: Наука,
1967.—283 с.
40.	Коломоец Н. В., Старнзас М. С., Стильбанс Л. С., Фатеев Н. П. Измере-
ние влажности воздуха с помощью полупроводниковых термопар.—ЖТФ,
1956, 26, № 3, с. 686—692.
41.	Краус А. Д, Охлаждение электронного оборудования.—М.: Энергия, 1971.—
247 с.
42.	Лебедев В. Ф., Калинин IO- А., Новикова Т. В. Графико-аналитический ме-
тод расчета термоэлектрических охлаждающих устройств в режимах е макс_
=/г0Пт-~ в кн,? Термоэлектрическое охлаждение. М., 1973, с. 26—37.
43.	Лидоренко Н. С., Коломоец Н. В., Лукишкер Э. М., Вайнер А.Л. Комплек-
сная оптимизация термоэлектрических охлаждающих устройств.— Холодил,
техника, 1977, № 4, с. 28—31.
44.	Мартыновский В. С., Наер В. А., Лавренченко Г. К- Термодинамический ана-
лиз полупроводниковых систем охлаждения и нагрева.—В кн.: Низкотемпе-
ратурные свойства полупроводников. М., 1970, с. 405—412.
45.	Мойжес Б. Д. Влияние температурной зависимости параметров материалов
на эффективность термоэлектрических генераторов и холодильников.— ФТТ,
1960, 2, №4, с. 728—737.
46.	Наер В. А. Расчет нестационарных режимов полупроводниковых холодиль-
ников и нагревателей.— Холодил, техника, 1962, № 1, с. 16—19.
47.	Наер В. А- Влияние контактных электрических и тепловых сопротивлений
на характеристики полупроводниковых батарей.—ХТТ, 1965, №1, с. 9—15.
48.	Наер В. А. Неустановившиеся режимы термоэлектрических охлаждающих
и нагревающих установок.— ИФЖ, 1965, 8, № 4, с. 493—498.
49.	Наер В. А., Хирич И. Д., Кравченко П. Н. Микрохолодильники периоди-
ческого действия.—ХТТ, 1972, №14, с. 40—41.
50.	Орлов В. С., Серебряный Г. Л. К расчету термоэлектрических холодильни-
ков.—Холодил. техника, 1969, № 12, с. 19—21.
194
51.	Орлов В. С., Серебряный Г. Л. Метод расчета термоэлектрических холоди-
льников в режиме минимальной потребляемой мощности.—В кн.: Термо-
электрическое охлаждение. М., 1973, с. 38—48.
52.	Осипов Э. В. Гальваномагнитные охладители. — Электрон, техника. Сер. 15.
Криог. электрон., 1970, № 1, с. 34—48.
53.	Осипов Э. В. Твердотельный охладитель для криогенных температур. — За-
рубеж. электрон, техника, 1970, № 7, с. 40—70.
54.	Осипов Э. В. Твердотельные криогенные охладители. Ч. I. Материалы для
твердотельных охладителей. — Зарубеж. электрон, техника, 1971, №10,
с. 52—73.
55.	Осипов Э. В., Корнюшин Ю. В., Всеволодами П. Ф. Получение охлажде-
ния за счет анизотропии термоэлектрических свойств. — Электрон, техника.
Сер. 15. Криог. электрон., 1971, № 1, с. 111—114.
56.	Осипов Э. В., Рождественская В. В., Земсков В. С. и др. Гальванотермо-
магнитные свойства монокристаллов твердых растворов системы Bi — Sb. —
Докл.АН СССР, 1971, 201, № 6, с. 1338-1341.
57.	Осипов Э. В., Варич Н. И., Микитей П. П. Исследование эффекта Эттингс-
гаузена в монокристаллах Bi xSbx .— ФТП, 1971,5, № 11, с. 2202—2204.
58.	Осипов Э. В., Варич Н. И., Микитей П. П. Магнитотермоэлектрическая
добротность монокристаллов Bi.—В кн.з Материалы Всесоюз. совещ. АН
СССР «Термоэлектр. материалы и методы их исслед.». Кишинев, 1971, с. 117.
59.	Осипов Э. В., Варич Н. И., Голованов В. П., Микитей П. П. Исследование
охлаждения за счет эффектов Эттингсгаузена и Пельтье.— ФТП, 1973, 7,
№ 1, с. 176—178.
60.	Осипов Э. В., Борисенко В. Д. Твердотельные криогенные охладители.—
Зарубеж. электрон, техника, 1975, № 7, с. 3—80.
61.	Осипов Э. В. Твердотельная криогеника.— Киев: Наук, думка, 1977.—234 с.
62.	Покорный Е. Г. Номографический метод расчета полупроводниковых термо-
охлаждающих устройств.—Л.: Наука, 1968.—59 с.
63.	Покосный Е. Г., Щербина А. Г. Расчет полупроводниковых охлаждающих
устройств.—Л.: Наука, 1969.—206 с.
64.	Привин М. Р. Влияние изоляционных прослоек между термоэлементами на
эффективность полупроводниковых холодильников и нагревателей.— Сб. тр.
по агрофизике, 1966, вып. 13, с. 152—158.
65.	Ривкин А. С. Оптимальное управление нестационарным процессом термо-
электрического охлаждения.— ЖТФ, 1973, 43, № 7, с. 1563—1570.
66.	Ривкин А. С. Задачи управления нестационарными процессами термоэлек-
трического охлаждения.j Дис.... канд. техн, наук.—Л., 1973.—165 с.
67.	Самойлович А. Г., Слипченко В. Н. Поперечный эффект Пельтье.— ФТП,
1977, 11, № 8, с. 1614—1615.
68.	Семенюк В. А. О влиянии пульсации тока на характеристики термобатарей
полупроводниковых холодильников.—Тр. ОТИЛХП. 1962, вып. 12, с. 161 —
166
69.	Семенюк В. А., Нечипорук О. Л. Максимальное понижение температур в со-
ставных полупроводниковых термопарах.—Изв. вузов. Энергетика, 1976,
№ 2, с. 105—110.
70.	Слипченко В. Н. Некоторые вопросы термодинамики анизотропного термо-
элемента: Дис.... канд. физ.-мат. наук.— Черновцы, 1975.— 131 с.
71.	Стильбанс Л. С. О коммутации полупроводниковых термоэлементов.—ЖТФ,
1957, 27, № 1, с. 212—213.
72.	Стильбанс Л. С. О выборе соотношения сечений ветвей полупроводнико-
вых термоэлементов.— ЖТФ, 1958, 28, № 2, с. 262—263.
73.	Стильбанс Л. С., Федорович Н. А. О работе охлаждающих термоэлементов
в нестационарном режиме.—ЖТФ, 1958, 28, № 3, с. 489—492.
74.	Щербина А. Г. Расчет термобатарей в нестационарном режиме.— В кн.:
Термоэлектрические свойства полупроводников. Л., 1963, с. 146—154. •
75.	Ддзаки Т., Акаи Д. Пат. (Япония) 3999. Устройство для магнитного ох-
лаждения.—Опубл. 10.02.70.
76.	Дмаков И. Полупроводникови термоэлектрически аппараты.—Машинострое-
ние, 1962, 11, № 12, с. 18—22.
77.	Alfonso N., Milnes A. G. Transient response and ripple effects in thermoelectric
cooling cells.— Elec. Eng., 1960, 79, № 6, p. 443—449.
78.	Altenkirch E. Uber den Nutzeffect der Thermosaule.—Phys. Z., 1909, 10, № 16,
S. 560-568.
79.	Altenkirch E. Electrohermische Kalteerzeugung und reversible elektrische
Neizung.—Phys. Z., 1911, 12, № 21, S. 920—924.
80.	Arai T. T.t Madigan J. R. Response of a thermocouple circuit lo nonsteady
currents.—J. Appl. Phys., 1961, 32, № 4, p. 609—616.
81.	Boerdijk A. H Contribution to a general theory of thermocouples.—J. Appl.
Phys., 1959, 30, № 7, J). 1080—1083.
7
195
82.	Boerdijk A. H. Zero-,' first and second-order theories of a general thermo-
couple.-J. Appl Phys., 1961, 32, № 8, p. 1584-1589.
83.	Borg Warner Co. Пат. 1200384 (Канада). Pieltier thermoelectric couple with
non-homogeneous elements.— Опубл. 27.07.70.
84.	Cuff K. F., Horst R. B., Weaver J. L. et al. The thermomagnetic figure of
merit and Ettingshausen cooling in Bi — Sb alloys-— Appl. Phys. Lett., 1963,
2, № 8, p. 145—146.
85.	Delves R. T. The prospects for Ettingshausen and Peltier cooling at low tem-
peratures.—Brit. J. Appl. Phys., 1962, 13, № 9, p. 440—445.
86	Donald D. K-, Mooser E., Pearson W. B. et. al. On the possibility of ther-
moelectric refrigeration at very low temperatures.— Phylos. Mag., 1959, 4,
№ 40. p. 433—446.
87.	El. —Saden M. R. Theory of the Ettingshausen cooler.— J. Appl. Phys., 1962,
33, № 5, p. 1800—1803.
88.	Ertl M. E., Pfister G. R., Goldsmid H. J. Size dependence of the magneto-
Seebeck effect in bismuth-antimony alloys.—Brit J. Appl. Phys., 1963, 14,
№ 3, p 161—162.	...
89.	Ettingshausen A., Nernst W. Uber das Aufreten electromotor!scher Krafte in
Metallplatten, welche von einem Warmestrome durchflossen werden und sich
im magnetischen Felde befinden.— Ann. Phys. Chem. 1886, 29, S. 343—347.
90.	Ferens B. Optimization of working conditions of a refrigerating thermoele-
ment.— Bull. Acad. pol. sei. Ser. sci. techn., 1965, 13, № 11/12, p. 927—931.
91.	Fisher J. V. Пат. 3289422 (США). Cooling apparatus for infrared detecting
system.— Опубл. 6.12.66.
92.	Goldsmid H. J. Thermoelectric and thermomagnetic cooling. — Ind. electron.,
1963, 1# № 8, p. 441—444.
93.	Goldsmid H. J. Thermoelectric and thermomagnetic cooling. Ind. electron.,
1963, 1, № 9,- p. 467—470.
94.	Goldsmid H. J., Lacklison D. E. The thermomagnetic figure of merit of rehea-
ted pyrolytic graphite at liquid helium temperature.Brit. J. Appl. Phys.,
1965, 16, № 4, p. 573—575.
95.	Goldsmid H. J./Thomas С. B. Comparison of Peltier—Seebeck and Nernst—
Ettingshausen energy converters in intermediate magnetic fields.— Adv. Energy
Conv., 1967, 7, № 1, p. 33-41.
96.	Gray P. E. The dynamic behavior of thermoelectric devices.— New York; Lon-
dont Wiley and Sons, I960.—136 p.
97.	Gray P. E. Approximate dynamic response calculations for thermoelectric Pel-
tier-effect devices.— Solid-State Electron.,- 1963, 6, № 4, p. 339—348.
98.	Guthrie G. L. Optimization of the cross-sectional geometry of Nernst-—Ettings-
hausen devices.—J. Appl. Phys., 1965, 36, № 10. p. 3118—3122.
99.	Harman T. C.9 Honig J. M. Operating character!ctics of transverse (Nernst)
anisotropic galvano-thermomagnetic generators.— Appl. Phys. Lett.»' 1962, 1,
№ 2, p. 31—32.
100.	Harman T. C., Honig J. M. Theory of galvano-thermomagnetic energy con-
version device. 1. Generators. 2. Refrigerators and heat pumps.— J. Appl. Phys..
1962, 33, № 11# p. 3178—3194.
101.	Harman T. C.t Honig J. M. Operating characteristics of Nernst refrigerators
for anisotropic materials.—J. Appl. Phys.f 1963, 34, № 1, p. 239—240.
102.	Harman T. C.t Honig J. M. Theory of galvano-thermomagnetic energy con-
version devices. 3. Generators constructed from anisotropic materials.— J .Appl.
Phys., 1963, 34,' № 1, p. 189—194.
103.	Harman T. C.t Honig J. M., Tarmy Bette M. Transport properties of anisot-
ropic materials.—Solid State Res. Lincoln Lab. MIT, 1963, № 3, p. 32—33.
104.	Harman T. C. Theory of the infinite stage Nernst—Ettingshausen refrigerator.—
Adv. Energ. Convers., 1963, 3, № 4, p. 667—676.
105.	Harman T. C. Theory of the infinite stage Nernst—Ettingshausen refrigerator.—
Solid State Res. Lincoln Lab. MIT, 1963 (1964), № 4, p. 50—53.
106.	Harman T. G., Honig J. M. Nernst—Ettingshausen (transverse) energy conver-
sion.— Semicond. Prod, and Solid State Technol., 1963, 6, № 7,- p. 19—24.
107.	Harman T. C.f Honig J. M.f Tarmy В. M. Theory of galvano-thermomagnetic
energy conversion devices. 5. Devices constructed from anisotropic materials.—
J. Appl. Phys.; 1963, 34, № 8, p. 2225—2229.
108	Harman T. C., Honig J. M., Fischler S. et al. Oriented single-crystal bismuth.
Nenist-Ettingshausen refrigerators.—Appl. Phys. Lett.» 1964, 4, № 4, p. 77—79.
109.	Harman T. C., Honig J. M., Fischler S. et al. The Nernst—Ettingshausen
energy conversion figure of merit for Bi and Bi—4% Sb alloys.— Solid-State
Electron.,' 1964, 7, № 7, p. 505—508.
110.	Harman T. C., Honig J. M., Fischler S. e, a. Experiments on room-temperature
Nernst—Ettingshausen refrigerators.— Trans.ASME B., 1965, 87, № 1, p. 21—24.
111.	Harman T. G., Honig J. M. Thermoelectric and thermomagnetic effects and
applications.*—New York? Me. Graw — Hill, 1967.—377 p.
196
112.	Hawkins S. R., Harshman J. H., Enslow G- M. Performance of a bismuth-an-
timony Ettingshausen cooler.— Bull. Amer. Phys. Soc., 1962, 7, № 9, p. 621
113.	Hawkins S. R., Rooi C. F., Cuff R. F.etal. Low-temperature Ettingshausen
cooler.—Adv..Cryog. Eng., 1964, 9, № 6, p. 367—378.
114.	Heard G- G. Пат. 3547705 (США). Integrall Ettingshausen-Peltier thermoele-
ctric device.— Опубл. 15.12.70.
115.	Herring C., Geballe T. H., Runzler J. E. Phonon-drag thermomagnetic effects
in n-type germanium. I. General survey.—Phys. Rev., 1958,111, № 1, p. 36 —
57.
116.	Horvay J. B. Thermoelectric transients.— IEEE Trans. Appl. Ind., 1963,
№ 66, p. 111—115.
117.	Idnurm M.j Landecker R. Experiments with Peltier junctions pulsed with
high transient currents.—J. Appl...Phys., 1963, 34, № 6, p. 1806—1810.
118.	Rafka W. Пат. 1238099 (ФРГ). Kuhlvorrichtung fur eine supraleitende Spu-
le.-Опубл. 19.10.67.
119.	Rooi C. F., Horst R. B., Cuff R. F., Hawkins S. R. Theory of the longitudi-
nally isothermal Ettingshausen cooler.— J. Appl. Phys., 1963, 34, № 6, p. 1735—»
1742.
120.	Rooi C. F., Horst R. B., Cuff R. F. Thermoelectric — thermomagnetic energy
converter staging.—J. Appl. Phys., 1968, 39, № 9, p. 4257—4263.
121.	Landecker R.t Findlay A. W. Study of the fast transient behavjour of Peltier
junctions.—Solid-State Electron., 1961, 3, № 3/4, p. 239—260.
122.	Ale. Cormick J. E., Brauer J. B. Feasibility of solid-state cryogenic refrige-
ration to 70 K-— ASHRAE Journal, 1965, 7, № 10, p. 61—68.
123.	Mette H., Gartner W. WLoscoe C. Nernst and Ettingshausen effects in ger-
manium between 300 and 750 K-— Phys. Rev., 1959, 115, № 3, p. 537—542.
124.	Mette H.t Gartner W. W., Loscoe C. Nernst and Ettingshausen effects in se-
licon between 300 and 800 K.— Phys. Rev., 1960, 117, № 6, p. 1491—1493.
125.	Afc. Lean J. Solid state cooling system impractical: AF study shows.—Elec-
tron. News, 1964, 9, № 447, p. 58.
126.	New cooler uses thermomagnetic effect.— Electronics, 1963, 36, № 36, p. 84—88.
127.	Norwood M. H. Theory of Nernst generators and refrigerators.—J. Appl.
Phys., 1963, 34, № 3, p. 594-599.
128.	O’Brien B. J., Wallace C. S., Landecker R. Cascading of Peltier couples for
thermoelectric cooling.—J. Appl. Phys., 1956, 27, № 7, p. 820—823.
129.	O’Brien B. J., Wallace C. S. Ettingshausen effect and thermomagnetic coo-
ling.—J. Appl. Phys., 1958, 29, № 7, p. 1010—1012.
130.	Paranlape В. V., Levinger J. S. Theory of the Ettingshausen effect in semi-
conductors.-* Phys. Rev., 1960, 120, № 2, p. 437—441.
131.	Parrot J. E. The interpretation of the stationary and transient behaviour of
refrigerating thermocouples—Solid-State Electron., 1960, 1, № 2, p. 135—»
143.
132	Parrot J. E. The stationary and transient characteristics of refrigeratinge
thermocouples.—* Adv. Energ. Convers., 1962, 2, Jan.-June, p. 141—152.
133.	Reich A. D., Madigan J. R. Transient response of a thermocouple circuit un-
der steady currents.—J. Appl. Phys., 1961/ 32, № 2, p. 294—301.
134	Reich A. D., Stanley M. L., Rountz R. J. Пат. 3564860 (США), Thermoelec-
tric elements utilizing distributed Peltier effect.—Опубл. 23.02^71.
135.	Reich A. D.f Aral T.f Madigan J. R. Transient effects in Peltier coolers.—
J. Appl. Phys., 1961, № 32, 11, p. 2493—2494.
136.	Reich. A. D. The distributed Peltier effect.—Bull. Amer. Phys. Soc., 1972,
17, № 3, p. 282.
137.	Rittner E. S. On the theory of the Peltier heat pump.—J. Appl. Phys., 1959,
30, № 5, p. 702—707.
138.	Simon R. Пат. 3154927 (США). Heat pumps.—Опубл. 03.11.64.
139.	Sizelove J. R. Пат. 3224206 (США).Contour desing for «cascading of shaping»,
thermomagnetic devices.—Опубл. 21.12.65.
140.	Varaa B., Reich A. D.t Madigan J. R. Thermoelectric and thermomagnetic
heat pumps.— J. Appl. Phys.,1963, 34, № 12, p. 3430—3441.
141.	Weaver J. L., Cuff R. F.f Enslow G. M. et al. Thermomagnetic properties of
Bi (95) Sb (5).—Bull. Amer. Phys. Soc., 1962, 7, № 7, p. 495.
142.	Wright D. A. Ettingshausen cooling in pyrolytic graphite.— Brit. J. Appl.
Phys., 1963, 14, № 6, p. 329-334.
143.	Ybarrondo L. J. The effect of finite hot and finite eold junctions fins on the
performance of a thermoelectric heat pump.—Solid-State Electron. 1963, 6,
№ 4, p. 357-364.
144.	Yim W. M., Amith A. Bi-Sb alloys for magneto-thermoelectric and thermo-
magnetic cooling.—Solid-State Electron., 1972, 15, № 10e p. 1141—1165.
197
Глава V. СООТНОШЕНИЯ ДЛЯ ОПИСАНИЯ
ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ НАГРЕВЕ
1. Простейшая модель
Для описания термоэлемента в режиме термоэлектрического
нагрева можно воспользоваться моделью термопарного элемента
(см. рис. IV. 1), предположив в простейшем случае, что боковые по-
верхности ветвей адиабатически изолированы, холодные спаи термо-
статированы при температуре То, а горячими отдается тепло Qw разо-
греваемому объекту при температуре Tf. Предполагается также, что
вещество термоэлементов однородно и его параметры несущественно
зависят от температуры. Направление тока при термоэлектрическом
нагреве противоположно направлению тока при термоэлектрическом
охлаждении; на рабочем спае теплоты Джоуля и Пельтье складыва-
ются. Как и в охлаждающих элементах, с достаточной для боль-
шинства случаев точностью можно полагать, что половина выделяю-
щегося в ветви тепла Джоуля может быть отнесена к холодному
спаю, половина — к горячему. Тепловой поток через холодный спай
термоэлемента [5, 6, 21]
Со — (ai — а2)Т01 —— I2l	*—* (xisi + XS2),
\^151	O2$2 /	*
(V.l)
через горячий —
Qw = (ai - а2) Тг1+ ’ /?/ (-I- + -L) - (ZiSi +wx2s2)
Z	O2$2/	I
(V.2)
(эффектом Томсона пренебрегается).
Эффективность термоэлектрического нагрева определяется ото-
пительным коэффициентом [6], или тепловым коэффициентом [21],
коэффициентом преобразования [9] (в различных источниках назван
по-разному), который равен отношению выделенной на горячем спае
тепловой мощности к затраченной электрической:
К. =	,	(V.3)
т W
198
или
(ai - a2) TtI + -W-L + -U - T1—L^1S1 + x2s2)
Z ' '-'1^1 OgJ2 '	I
Kt —	- j	j—г
PZ Бт + тг +(«i-«2)/(7’i-7’o)
уСГр! ^2^2/
(V.4)
Через подводимое к термоэлементу напряжение (V.4) записы-
вается в виде
(ai - а2) Tt +1U - (Ti - То) f J_ + -М (x1S1+ x2s2) ~
Z	\ C’lsi с’252 I	V
Кт==	f/ + (a1-a2)(T1-T0)
(V.5)
dKT
Оптимизация по напряжению питания U из условия = О
[6, 26] дает
тт (°Ч ~ аг) (Л — Л>)	zV
Uom =--------Д4ТП-------’	<V-6)
где, как и ранее,
м=]/" i4-lz(Ti + T0).
Оптимальные соотношения геометрических размеров ветвей термо-
элемента при известных коэффициентах электро- и теплопроводности
совпадают с полученными для охлаждающих термопарных элементов.
Оптимальный Кт, соответствующий максимальному отопительному
коэффициенту [21],
izon T __	M T^/Tq
at	M + l *“ •
Тепло, выделяющееся на горячих спаях,
- Т (M-D4M+D	(ЛМ - 7-.).
Между отопительным и холодильным коэффициентом
ствует связь:
(V.7)
(V.8)
е суще-
Е_ . Qq к = Qw .
Qw—Qo	т Qw Qq
Лт = е+1.
(V.9)
(V.10)
Из (V.10) следует, что условия достижения максимума в и мак-
симума должны совпадать, поэтому все условия оптимизации
термоэлемента при термоэлектрическом охлаждении (гл. IV) со-
храняются и для термоэлемента в режиме термоэлектрического на-
грева.
На рис. V.1 приведены зависимости значения Кт от разности
температур между горячими и холодными спаями и от значения
199
термоэлектрической добротности Z [6]. Из рисунка следует, что
при не очень больших перепадах температуры и значениях Z, достиг-
нутых в настоящее время (около 3*	отопительный коэф-
фициент принимает значения, существенно большие единицы (1,5 —
7). Эго означает, что тепло, выделяющееся на горячем спае, при
термоэлектрическом нагреве по значению больше, чем джоулево
тепло, получаемое при таких же затратах электрической энергии.
Дополнительное увеличение коэффициента Хт достигается при исполь-
зовании каскадных термобатарей. Условия оптимизации при каска-
дировании такие же, как у охлаждающих батарей (гл. IV, § 1).
2. Учет теплообмена на спаях
При использовании термоэлементов для термоэлектрического нагрева
чаще всего заданными являются температуры разогреваемой среды
и среды, которой тепло отдается
термоэлементом, поэтому для рас-
четов необходимо определить связь
между температурами сред и тем-
пературами спаев, а также влияние
значений коэффициентов теплооб-
мена на параметры термоэлемента.
Связь между температурами
спаев и температурами сред Т[ и
Рис. V.I. Зависимости отопитель-
ного коэффициента 7<т от перепада
температуры в термоэлементе при
различных Z:
1 — 5,0 . ю—8 К—Ь 2 — 40. 10—8 к—1 •
з — 3,0 . 10--8 К—1; 4 — 2,5 . 10—8 Ц—
5 —2,0 . 10—8 К—1: 6 — 1.5 • 10—8Ц—ь
7 ^-1,0 • Ю'-’К—1.
То', находящихся в тепловом контакте с горячими и холодными спаями,
дается выражениями, полученными в работе [2]:
Т’о = Ti-q±-,
OCq
7’i = T[ + Ц
х g
(V.11)
где а0' и а' — коэффициенты теплообмена между холодными спаями
и средой, горячими спаями и средой соответственно; qQ и q± — плот-
ности тепловых потоков на холодном и горячем спаях:
, Л а/0 , х \	/ х
Qo 1	\	2g'	21а' /	21а'
si + s2~ 2 / _ а/p х \ /. g/p	~~\	к2 ’
\	2д'~^2/д'Д	2д0'	21а^	4/д'д0'
(V.12)
200
г / aZp , х , х
Qw	71^ +2a^ + 2/aQJ~7Q2/a0'____________
si + s2~	/ ___g/0 x \ / g/P x____________\__ x2
\	2a' * 2/а'Д *" ~2g0' *“ 2/a0')	4/2a'aJ
В формулах (V.12)
t/o = gTp 7p ~ pl I q-— (Tir—Tq),
<h = аЛ'^о + 4 ptf ~ J (Ti’- Ti),
p-H41+4+4,+m4 (VJ3)
Выражение для оптимального коэффициента Кт с учетом тепло-
обмена на спаях такое:
к~1
( ч1 2a'/ 2/а7
Л , а/о \ х
2a0'J +2/а0'
(V.I4)
где
k'______ft .
ti — ti '
При заданных Tq, 7\', р, х, а коэффициент Кт является функ-
цией величин д', ap, /, /0. При известных а' и а0 для определения
оптимального тока, соответствующего максимальному Кт, произво-
дится оптимизация по /0.
В работе [9] для описания термоэлектрического подогрева введены
л	, ZI (?р
безразмерные Параметры: kSo =	— безразмерная удельная холо-
допроизводительность на единицу площади термоэлемента, ks =
=	— безразмерная удельная теплопроизводительность на еди-
те з
al . . х
ницу площади термоэлемента, v = — / — безразмерная плотность то-
ка (/ — плотность тока), 0О == ZT0 — безразмерная температура хо-
лодных спаев, 0 — ZT — безразмерная температура горячих спаев,
Д0 = 0 _ 0О — безразмерный перепад температуры между спаями.
Выражения (V.l), (V.2) в безразмерных параметрах принимают вид
*so= V0O -	V2- А0,
ks = V0 + 4- V?— Д0.
(V.15)
201
Соответственно отопительный коэффициент без учета теплообмена
на спаях
v0o + у V? — ДО
~ vA0 + v?
(V.16)
При учете теплообмена формулы (V.11) в безразмерных коэф-
фициентах принимают вид
0о = 0;-^о>	(V.17)
ъ
1 Bi
где 0g = ZTq — безразмерная температура среды, окружающей хо-
лодный спай, 0' = ZT' — безразмерная температура среды, окружа-
ющей горячий спай, Bi0, Bi — критерии Био. Отопительный коэф-
фицйент с учетом теплообмена
й*+’(^+1)
Кт -----------------j-----.	(V. 18)
(^v+D^+Dg.-v^-^+i
где
k* = v0Z — 0,5v? 4- Л0',
k* = v0' + 0,5v? — Д0'.
Эффективность работы термоэлектрического отопительного уст-
ройства существенно зависит от интенсивности теплообмена между
спаями и окружающей средой. При росте критерия Био показатели
отопительного устройства возрастают, насыщаясь при Bi0«Bi =
= 15^-20. В этих условиях перепады температуры между спаями и
окружающей средой становятся пренебрежимо малыми и их влиянием
на отопительный коэффициент можно пренебречь.
3.	Учет влияния других факторов
В работах [9, 28] определено влияние изоляционных прокладок между
термоэлементами на свойства отопительных устройств. Прокладками
частично шунтируются тепловые потоки через термоэлемент, что
приводит к снижению отопительного коэффициента. Расчет влияния
изоляционных прокладок с достаточной степенью точности может
производиться при введении поправок в коэффициент добротности
материала Z и коэффициент теплопроводности х:
z34, = x(l + slx),	(V.19)
7
202
где s — отношение площади поперечного сечения изоляционной про-
кладки к площади сечения термоэлемента (перпендикулярно току),
— отношение коэффициента теплопроводности материала изоля-
ционной прокладки к коэффициенту теплопроводности материала
термоэлемента. Значения хЭф и /Эф вводятся в формулы для опре-
деления параметров тепловых насосов вместо хи/.
Потери, обусловленные контактными и коммутационными сопро-
тивлениями, менее существенно влияют на значение отопительного
коэффициента, чем потери в охлаждающих устройствах на значение
холодильного коэффициента. Этими потерями при расчетах устройств
термоэлектрического подогрева часто пренебрегают.
Как и для охлаждающих элементов, учет зависимостей термо-
ЭДС а (Т), электрического сопротивления р (Т) и теплопроводности
и (Т) производится введением усредненных коэффициентов.
Однако /Ст для термоэлектрических отопительных устройств до-
стигает значений, представляющих практический интерес, только
при небольших перепадах температуры, поэтому в большинстве слу-
чаев температурными зависимостями параметров материала термо-
элементов можно пренебречь.
4.	Переходные процессы
при термоэлектрическом нагреве
В работе [9] найдены выражения для определения зависимости тем-
пературы нагрева от времени и тока, протекающего через термо-
элемент, с учетом теплоемкости нагреваемого объекта, теплообмена
с окружающей средой и тепловыделения самим объектом.
Решение найдено в безразмерных параметрах, приведенных
в гл. IV (IV. 126). Связь между температурой, током и временем
определяется выражением
•vOo + 0,5v2 +К Vi
0 (Fo) =©0+ - Y-pBi — " + 2j ехР (- F°)- (V-21)
/2 = 1
где
v2 (cos 6„ — 1) — 6„ (V0O + Лв) sin
Дп — 2 —й—	„--------------------- , (V. 22}
5n (2ПС + !) sin + (nc6n — 1 + V — Bi) cos 6„]
— положительные корни трансцендентного уравнения
tg 6 = - k, ,S----.	(V.23)
T]CO2 + v — Bi	7
Для определения первых двух корней уравнения (V.23) следует
воспользоваться табл. IV.3, где приведенные значения и 62, со-
ответствующие v + Bi для термоэлектрического охлаждения, сов-
падают с Bi — v для термоэлектрического подогрева.
Коэффициенты Ап определяются из формулы
- Ап = (0ov + BA + v2#L	(V.24)
Коэффициенты Вп и Вп при п= 1,2 находятся из таблицы.
203
204
Значения постоянных множителей Bh и В’п [9]
				+ Bit —	для охладителей,		Bit — v -	- для термоэлектрического			нагрева			
		1 °	i 0,25	| 0,5	1 ’.°	l.s 1	2,0	3,0	4,0	5,0	7,5	10	| 15	|	20
о =	Bi в? Bi Bl	0,8104 0,5160 0,0900 0,0190	0,6144 0,4144 0,0868 0,0173	0,4848 0,3454 0,0834 0,0156	0,3270 0,2590 0,0766- 0;0128	0,2358 0,2064 0,0694 0,0102	0,1782 0,1712 0,0608 0,0084.	0,1108 0,1264 0,0508 0,0056	0,0752 0,0996 0,0410 0,0038	0,0540 0,0818 0,0334 0,0026	0,0280 0,0558 0,0208 0,0012	0,0168 0,0422 0,0140 0,0006	0,0068 0,0280 0,0072 0,0002	0,0046 0,0200 0,0044 0,0001
11	Bl Bi" Bi Bl	0,8706 0,5304 0,0838 0,0296	0,6788 0,4316 0,0840 0,0280	0,5382 0,3600 0,0840 0,0262	0,3730 0,9740 0,0816 0,0230	0,2740 0,2206 0,0802 0,0200	0,2092 0,1842 0,0768 0,0170	0,1322 0,1374 0,0684 0,0124	0,0893 0,1086 0,0592 0,0088	0,0642 0,0890 0,0504 0,0062	0,0326 0,0604 0,0330 0,0028	0,0194 0,0450 0,0294 0,0014	0,0088 0,0296 0,0106 0,0004	0,0050 0,0218 0,0060 0,0002
Ш OJ in II и	Bx B" Bi Bl	0,9262 0,5364 0,0582 0,0354	0,7240 0,4358 0,0598 0,0346	0,5638 0,3524 0,0610 0,0338	0,2960 0,2830 0,0632 0,0316	0,3166 0,2310 0,0660 0,0298	0,2480 0,1956 0,0672 0,0276	0,1626 0,1494 0,0642 0,0218	0,1134 0,1198 0,0654 0,0184	0,0814 0,0990 0,0624 0,0146	0,0410 0,0672 0,0498 0,0076	0,0264 0,0556 0,0370 0,0040	0,0104 0,0318 0,0190 0,0012	0,0052 0,0206 0,0102 0,0004
ш o' II и	Bi B" Bi B"	0,9618 0,5348 0,0318 0,0334	0,7608 0,4340 0,0324 0,0334	0,6276 0,3678 0,0332 0,0334	0,4608 0,2856 0,0358 0,0334	0,3770 0,2104 0,0380 0,0330	0,2872 0,2000 0,0402 0,0324	0,2152 0,1694 0,0444 0,0308	0,1338 0,1192 0,0502 0,0300	0,1092 0,1100 0,0514 0,0256	0,0574 0,0778 0,0516 0,0180	0,0332 0,0580 0,0474 0,0116	0,0138 0,0366 0,0412 0,0120	0,0072 0,0260 0,0696 0,0292
СР II <о ?=	to Co to Co tO5iO„ —	-	0,9864 0,5264 0,0128 0,0260	0,7748 0,4208 0,0128 0,0256	0,6534 0,3608 0,0132 0,0258	0,4920 0,2810 0,0140 0,0262	0,3836 0,2270 0,0148 0,0266	0,3162 0,1940 0,0156 0,0170	0,2656 0,1764 0,0176 0,0276	0,1788 0,1288 0,0198 0,0280	0,1492 0,1124 0,0220 0,0282	0,0088 0,0864 0,0294 0,0286	0,0560 0,0700 0,0328 0,0240	0,0240 0,0468 0,0356 0,0150	0,0116 0,0328 0,0322 0.0084
Для медленных переходных процессов [22], когда можно счи-
тать, что тепловой режим термоэлемента близок к стационарному
(например, при большой теплоемкости нагреваемого объекта и малой
теплопроизводительности термоэлемента), формула для определения
разогрева до температуры Т за время t имеет вид
<4=° Г
Ti = Т« Н--ns ехР —------- ~ 1 ’
“;-tL Gc«
(V.25)
Где TQ — начальная температура при t = 0, Qw — теплопроизводи-
тельность, G — масса нагреваемого объекта, с0 — удельная тепло-
емкость вещества нагреваемого объекта. Из (V.25) следует, что при
возрастании тока время достижения заданной температуры Т не-
прерывно уменьшается. Формула (V.25) получена в предположении,
что теплообмен боковых поверхностей термоэлемента и охлаждае-
мого объекта с окружающей средой отсутствует, теплопроводность
вещества охлаждаемого объекта велика и перепадами температуры
в нем можно пренебречь. Значение Qw определяется по формуле (V.2).
С учетом теплообмена на спаях время /, необходимое для до-
стижения заданной температуры, определяется по формуле
где kQF — член, характеризующий теплоперенос изолирующей каме-
ры, расположенной вокруг нагреваемого объекта, а0' и а'— как и
ранее, коэффициенты теплообмена, Q& — теплопроизводительность в
момент времени /.
Значение отопительного коэффициента при медленных переход-
ных процессах без учета теплообмена приближенно находится из вы-
ражения
(Ti-Tjlal-™}
Кт= ---------------------—у.	(V.27)
/2р± + а/(тср-т0) 1п-^
где Тср — среднеарифметическое значение температуры между Tf и То.
Метод расчета переходных процессов для случая, когда поддер-
живается постоянным электрическое напряжение в термоэлементе,
приведен в [25].
5.	Области применения
В настоящее время термоэлектрический нагрев наиболее широко
используется в сочетании с термоэлектрическим охлаждением в раз-
личных устройствах термостатирования. Изменением направления
205
тока через термоэлементы достигаются охлажде ние, если темпера-
тура окружающей среды выше температуры статирования, и по-
догрев, если температура окружающей среды ниже температуры
статирования [4].
Из анализа, приведенного в работе [18], следует, что при ис-
пользовании термоэлектрического нагрева со средним за сезон
значением Кт>>2,5 количество топлива, расходуемого на тепловых
электростанциях, меньше, чем количество топлива, которое необхо-
димо для такого же обогрева при использовании обычных отопи-
тельных котельных. Таким образом, достигается экономия топлива,
а в сочетании с термоэлектрическим охлаждением — и возможность
кондиционирования. Простота и надежность термоэлектрических уст-
ройств делает перспективным их применение в условиях, где при-
боры должны иметь повышенную механическую прочность: на же-
лезнодорожном транспорте, на судах и т. д. Широкое их примене-
ние сдерживается еще недостаточно высокими значениями доброт-
ности термоэлектрических материалов. Особенно перспективно при-
менение термоэлектрического нагрева при небольших перепадах
температуры (5—10 К), например, в выпарных установках.
Сведения об инженерных расчетах устройств с термоэлектриче-
ским нагревом могут быть почерпнуты в работах [1, 7, 8, 10, 20,
23, 24, 26, 27, 29, 30, 34, 35]; возможности применения рассмотре-
ны в работах [3, 16, 17, 18, 19, 33, 36], результаты эксперимен-
тальных исследований подогревных устройств приведены в [11 — 15,
32], критический анализ возможностей применения термоэлектриче-
ского нагрева для отопления дан в работе [31].
ЛИТЕРАТУРА
1.	Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых термоэлек-
трических устройств.—М.: Физматгиз, 1962.—135 с.
2.	Вихорев Г. С., Наер В. А. Влияние теплоотдачи на характеристики полупро-
водниковых термобатарей для холодильников и тепловых насосов.— ФТТ, 1959
1, № 6, с. 903-907.
3.	Ибрагимов Д. И., Филатов А. И. Эффективность применения полупроводни-
ковых тепловых насосов в условиях Туркменской ССР.— Гелиотехника, 1974,
№ 2, с. 64—70.
4.	Ильярский О. И., Удалов Н. П. Термоэлектрические элементы.— М.: Энергия.
1970.—72 с.
5.	Иорданишвили Е. К. Термоэлектрическое охлаждение и подогрев.— В кн.:Тр. I
Межвуз. конф, по соврем, технике диэлектриков и полупроводников, 1956 г.
Л., 1957, с. 274—284.
6.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы.— М.; Л.: Изд-во АН СССР.
I960.—188 с.
7.	Каганов М. А. Методика расчета параметров полупроводниковых термоэлек-
трических охладителей и нагревателей потоков жидкостей или газов.— Сб.
тр. по агрон. физике, 1966, вып. 13, с. 116—133.
8.	Каганов М. А. Эффективность полупроводниковых термоэлектрических охла-
дителей и нагревателей потоков жидкости и газа.— ИФЖ, 1967. 12, № 2,
с. 192—199.
9.	Каганов М. А., Привин М. Р. Термоэлектрические тепловые насосы.— Л.з
Энергия, 1970.— 176 с.
10.	Лавренченко Г. К- Анализ энергетических характеристик термоэлектрических
батарей.— ХТТ, 1973, № 16, с. 67—73.
И. Лукомский С. М. О тепло- и холодоенабжении при помощи компрессионных
и термоэлектрических тепловых насосов.— Гелиотехника, 1968, № 2, с.
62—67
12.	Лукомский С. Л4., Эдиткин Э. Р., Коротаев А. М. Термоэлектрические на-
гревательные и охладительные устройства. — Гелиотехника, 1968, № L
с. 56—68.
206
13.	Лукомский С. М., ГТрейзер А. Б., Швалев Л. И.; Шинко П Ф. Некоторые ре-
зультаты испытаний вентиляционных полупроводниковых тепловых насосов
типа «воздух — воздух».— Гелиотехника, 1969, № 6, с. 79—80.
14.	Лукомский С. М., Коротаев А. М., Карелина Г. В. и др. Некоторые резуль-
таты эксплуатационных испытаний пол упроводникового теплового насоса.—
Гелиотехника, 196 9, № 1. с. 37—40.
15.	Лукомский С. М. Термоэлектрические полупроводниковые отопительно-охла-
дительные вентиляционные тепловые насосы.—Гелиотехника, 1969, № 5,с. 47—49.
16.	Лукомский С. М. О перспективах применения тепловых насосов.— В кн.:
Электротеплоснабжение. М.: Энергия, 1971, с. 80—90.
17.	Лукомский С. М. Термоэлектрические полупроводниковые тепловые насосы
(ТПТН) и перспективы их применения.—Энергетик, 1975, № 4, с. 8—11.
18.	Мартыновский В. С. Об использовании электротермического эффекта в тепло-
насосных установках.—Тр. ОТИПХП, 1957, 8, № 1, с. 3—11.
19.	Мартыновский В. С., Наер В. А. Рациональные обпасти применения полу-
проводниковых термобатарей.—Холодил, техника, 1960, № 2, с. 4—7.
20.	Мартыновский В. С., Наер В. А., Шаленый Э.Г. Полупроводниковые термо-
электрические батареи для круглогодичного кондиционирования воздуха.—
ХТТ, 1966, № 3, с. 3—11.
21.	Наер В. А. Термоэлектрические тепловые насосы.— В кн.: Тр. I Межвуз.
конф, по современ. технике диэлектриков и полупроводников. 1956. Л., 1957,’
с. 330—334.
22.	Наер В. А. Расчет нестационарных режимов полупроводниковых холодиль-
ников и нагревателей.—Холодил, техника, 1962, № 1, с. 16—19.
23.	Наер В. А., Роженцева С. А. О проектировании полупроводниковых охлади-
телей и нагревателей потоков жидкости.—ИФЖ, 1962, 5, № 11, с. 90—94.
24.	Наер В. А. Методы расчета полупроводниковых охладителей и нагревателей
жидкости.— В кн.: Тр. конф, по перспективам развития и внедрения холо-
дил. техники в нар. хоз-во СССР, 1963, с. 34—41.
25.	Наер В. А. Неустановившиеся режимы термоэлектрических охлаждающих и
нагревающих установок.—ИФЖ, 1965, 8, № 4, с. 493—498.
26	Наер В. А., Раман М. Л., Симановская А. Е. и др. Исследование полупро-
водниковых термобатарей для охлаждения и нагрева воздуха. — Изв. АН Латв.
ССР. Сер. физ. и техн, наук, 1966, № 6, с. 84—90.
27.	Наер В. А., Лавренченко Г. К. Исследование полупроводниковых термобата-
рей для охлаждения и нагревания потоков жидкостей и газов.— ХТТ, 1968,
№ 6, с. 7—16.
28.	Привин М. Р. Влияние изоляционных прослоек между термоэлементами на
эффективность полупроводниковых холодильников и нагревателей.—Сб. тр.
по агрон. физике, 1966, вып. 13, с. 152—158.
29.	Пустовалов Ю. В. Алгоритм расчета термоэлектрических тепловых насосов.—
Тр. ин-та ВНИПИэнергопром, 1975, вып. 7, с. 89—106.
30.	Пустовалов Ю. В. Технико-экономическая эффективность термоэлектрических
тепловых насосов.—Тр. ин-та ВНИПИэнергопром, 1976, вып. 8.
31.	Пустовалов Ю. В. Реальные показатели термоэлектрических полупроводни-
ковых тепловых насосов.— Холодил, техника, 1978, № 4, с. 33—39.
32.	Ржаницына Л. М., Языков В. Н., Цветков Ю. Н. Применение термоэлектро-
батареи в тепловой схеме для регулирования влажности воздуха.— Тр. Ар-
ханг. лесотехн, ин-та, 1973, № 39. Вопросы теплообмена и аэродинамики в
пром, теплотехнике, с. 42—47.
33.	Тамаев А. Г., Рамазанов К. Н. Технико-экономическая эффективность приме-
нения электрических полупроводниковых теплонасосных систем отопления и
кондиционирования в республике.— Изв. АН Азерб. ССР. Сер. экономика,
1976, № 3, с. 15—20.
34.	Цветков Ю. Н., Ржаницына Л. М. Нагрузочные характеристики влажно-
стной термоэлектробатареи при фиксированных значениях параметров сред.—
Изв. вузов. Приборостроение, 1973, 16, № 9, с, 109—115.
35.	Цветков Ю. Н., Ржаницына Л. М. Исследование работы влажностном термо-
электробатареи в режимах нагрева.— Изв. вузов. Приборостроение, 1975, 18,
№ 8, с. 116—120.
36	Шкабелъникова Л. П. экономия традиционного топлива при использовании
для теплоснабжения полупроводниковых тепловых насосов.Гелиотехника,
1975. № 2, с. 65-68.
207

ТЕРМО-
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАТЕРИАЛЫ

Глава VI. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОПТИМИЗАЦИИ
МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
Термоэлектрические материалы должны удовлетворять ряду требо-
ваний, нередко противоречивых: иметь по возможности высокие зна-
чения термоэлектрической добротности, сохранять высокую доброт-
ность в широком интервале температур, обладать высокой механи-
ческой прочностью, легко обрабатываться при изготовлении образ-
цов необходимых размеров, не подвергаться действию окисляющей
атмосферы, не сублимировать или разлагаться при повышенных тем-
пературах и др. Наиболее важным из этих требований является до-
стижение высоких значений термоэлектрической добротности, от
которой в большинстве случаев зависит возможность применения
термоэлектрического материала.
§ 1.	Методы повышения добротности
полупроводниковых материалов
для термопарных элементов
При использовании в ветвях термоэлементов металлов или метал-
лических сплавов не могут быть достигнуты высокие значения тер-
моэлектрической добротности и КПД преобразования [18, 19], так
как коэффициент термоЭДС у таких материалов незначительный, а
изменения р и х из-за постоянства числа Лоренца не могут су-
щественно изменять значение Z (см. (IIL24)). Применение полупро-
водниковых материалов позволяет в большей степени управлять
термоэлектрическими параметрами материалов и реализовать усло-
вия, при которых их соотношения приводят к достижению макси-
мума Z.
1.	Выбор оптимальной концентрации
носителей тока
Для нахождения оптимальной концентрации носителей тока исполь-
зованы модели примесного полупроводника с одно- или многодолин-
ным спектром носителей тока, параболическими зонами, эквива-
лентными экстремумами и степенной зависимостью времени ре-
лаксации носителей тока от энергии с показателем степени г [5,
9, 15, 26].
211
где
ТермоЭДС, электро- и теплопроводность для произвольного вы-
рождения записываются в виде
*0 р2г + 5) ^г+3/2 (н*)	1 ““ е |(2r + 3)Fr+1/2(n*)	(VI. 1)
о = епи,	(VI.2)
х = хф + х9,	(VI.3)
^г+1/2(Н*)	(VI.4)
2Г (Г -Ь«/а) f1/2 (Н*) “°’	
- 2е /г 1 A'i Г (Г + 8/2) (L гр \Г °~3от* °\ +2/ Г(3/2) ^о?о) ’	(VI.5)
4 (2л/п*А:оТо)3/2 „	, п = —	— F1/9 (и*), /л/13	1/2	(VI.6)
_ т !(г + 7/а) fr+5/2 (‘Ц*} (г + t/t}t (и*}
*’	\ J ((Г + 3/2) Fr+l/2 (н*) (г + »/2)’/%/2 (и
В формулах (VI. 1)-(VI.7)
СО
Fi (Н*) == У [ехр (Х ~ И*) +
О
(VI.7)
(VI.8)
Г (z) = J х1 }e~xdx,
.	о
иэ и Хф — электронная и фононная составляющие теплопроводности.
Из (VI. 1) — (VI.8) определяется выражение для Z. Его можно
записать в виде
Z = /(|x\ pz, г),	(VI,9)
где безразмерный параметр
р	)3/2?5/2	(VI. 10)
vz h3e о Хф \т0/	v 7
зависит от выбранного вещества.
Из выражения (VI.9) видно, что при фиксированной температуре
значением Z можно управлять путем изменения уровня химического
потенциала, подвижности носителей тока, эффективной массы и фак-
тора рассеяния г, зависящего от механизма рассеяния носителей тока.
Наиболее просто оптимальные значения Z достигаются соответ-
ствующим выбором химического потенциала, которым в свою очередь
можно управлять, изменяя концентрацию носителей тока (легирова-
212
нием, отклонением от стехиометрии и др.). При этом изменяются и
значения pz, г, однако если изменения концентрации носителей тока
не очень велики, |3Z и г могут быть приняты постоянными. На
рис. VI. 1 [7] приведены зависимости ZT от jx* для различных flz
при г = —-	. С учетом связи между р,* и а на графике приведена
и шкала термоЭДС. Из рисунка видно, что для каждого 0Z сущест-
вует р,*, при котором термоэлектрическая добротность достигает мак-
симального значения. Таким образом, соответствующим выбором опти-
мальной концентрации носителей тока /гопт могут быть достигнуты мак-
симальные для данного веще-
ства значения добротности.
Более наглядно этот же
вывод был получен [9] при
использовании модели однодо-
линного невырожденного при-
месного полупроводника со сфе-
Рис. VI. 1. Зависимость ZT от
уровня химического потенциала
и термоЭДС при различных
значениях pz:
/ — 5; 2—2; 5 — 1;
0,2 [7].
ZT
амкВ/К
рической изоэнергетической поверхностью. Выражение для термоЭДС
в этом случае имеет вид
(VI. 11)
„ „ [, + А +
е L 2 '	h3n
Максимальное значение термоэлектрической добротности опреде-
dZ .. тт
ляется из условия — = 0. Несмотря на используемые упрощения
(подвижность и коэффициент теплопроводности предполагаются не-
существенно зависящими от концентрации носителей тока, Хф > хэ),
k
оптимальное значение термоЭДС 2 ~ является достаточно точным и
может быть использовано при оптимизации термоэлектрических ма-
териалов. Сравнение с результатами графического метода оптимиза-
ции (см. рис. VI. 1) для ZT = 0,6 -г-0,9 дает значения а=(1804-220)X
X Ю"6 В/К.
Расчет оптимальной концентрации для веществ с более сложным
энергетическим спектром носителей тока или характером рассеяния
при учете вырождения электронного газа и других факторов яв-
ляется задачей трудной, так как для большинства веществ необхо-
димые микроскопические константы или вовсе не известны, или оп-
ределены с недостаточной точностью. Поэтому оптимальная концент-
рация определяется экспериментально —• нахождением зависимостей
Z(n).
213
2.	Выбор оптимального интервала температур
При изменении температуры в области примесной проводимости кон-
центрация носителей тока сохраняется постоянной (предполагается,
что примесные уровни полностью ионизированы) и, следовательно,
сохраняются условия достижения 2макс при п — попт. От темпера-
/т*\3/2
туры зависят величины uo\~j > и соответственно fz. При
рассеянии на акустических фононах
«о fe-V ~ Г-3/2’	(VI.12)
\ «?о/
при не очень низких температурах
Хф^Т-i.	(VI.13)
Тогда
pz ~ Т* и ZT ~ Т2,	(VI. 14)
т. е. добротность материала при росте температуры непрерывно воз-
растает. Рост ZT ограничивается появлением носителей тока проти-
ОДО 0Л5 0/20 ДЕ эВ *
: 1---1—_1---L_—I------//----
45 6 7 8 ДЕ*
умень-
возник-
модели
(VI. 15)
(VI.16)
(VI. 17)
Рис. VI.3. Зависимости ZonTT и ZonT от ДЕ и ДЕ* при различных
значениях Pz
(/—0,5;	2—0,4; 5 — 0,3; 4—0,2) и у (5 — 0,5; 6—0,71; 7 — 1,0; 8 —
1,43) [7].
воположного знака при переходе полупроводника в область смешан-
ной и собственной проводимости. В этом случае термоЭДС
шается, а коэффициент теплопроводности возрастает из-за
новения механизма биполярной диффузии. Например, для
полупроводника с двумя сортами носителей тока
_ апап — арор
а —	$	,
X = Хф + Х„ +	+ хб д,
а = ап + ар,
хб д — член биполярной диффузии.
214
Из выражения для Z, полученного при использовании (VI. 15)—
(VI. 17), следует, что в области смешанной проводимости должен
наблюдаться максимум ZT (рис. VI.2). Его положение на шкале
температур определяется шириной запрещенной зоны ДЕ, парамет-
рами рассеяния электронов и дырок, параметрами 0Z для электронов
и дырок, а также отношением [7]
u0o(m*)3/2
Vz= р	(VI. 18)
Z им(т*)*2
На рис. VI.3, VI.4 приведены ре-
зультаты расчета 2оптТ, ZonT и р*пт
в зависимости от ширины запрещен-
ной зоны при 300 К и различных
0Z, Уг. Из графиков следует, что
влияние собственной проводимости
становится существенным при ДЕ* =
АЕ	Я, Л
=	, достигающих 7—8, и при
увеличении Yz>
Рис. VI.4. Зависимости р,*пт от ДЕ и
ДЕ* при различных значениях ?z
(/—1,43;	2 — 1,0;	5 — 0,71;	4—0,5)
и pz (5 — 0,2; 6 —0,3; 7 — 0,4; 8 — 0,5) [7].
Таким образом, кроме оптимальной концентрации носителей тока
для достижения максимальной добротности в заданном интервале
температур необходимо выбрать материалы с подходящей шириной
запрещенной зоны.
3.	Увеличение термоэлектрической добротности
путем изменения отношения подвижности
носителей тока к решеточной теплопроводности
Как уже отмечалось, увеличение Z материала может достигаться
соответствующим выбором р*. При этом 0Z и г предполагались не-
изменными. При р*пт дальнейшее возрастание Z может быть по-
лучено при увеличении коэффициента 0Z, т. е. при увеличении от-
ношения подвижности носителей тока к теплопроводности вещества.
и	а
Увеличение — или — может достигаться при введении неи-
X	X
тральных примесей. При таком легировании концентрация носителей
тока остается неизменной, рассеяние фононов может возрастать
больше, чем рассеяние электронов, и — должно возрасти. К умень-
шению коэффициента теплопроводности приводит и введение иони-
зированных примесей; дополнительное рассеяние фононов наблю-
215
дается и при рассеянии на различных других дефектах решетки (ди-
слокациях, вакансиях и т. д.), однако наибольший эффект дости-
гается при введении изовалентных атомов замещения. В этом случае
образуются изоморфные твердые растворы, что не приводит к су-
щественному изменению спектра носителей тока и подвижности,
однако из-за большой концентрации изовалентных атомов возрастает
рассеяние фононов и существенно снижается коэффициент теплопро-
водности. В твердых растворах длина свободного пробега фононов
может сократиться до нескольких межатомных расстояний и тепло-
проводность соответственно уменьшится до теплопроводности аморф-
ных веществ. Например, для состава 50% РЬ Те — 50% PbSe достиг-
нуто уменьшение теплопроводности по сравнению с РЬТе в 2,5 раза,
уменьшение подвижности всего на 25%; в составах 50% Bi2Te3 —
50% Bi2Se3 теплопроводность по сравнению с Bi2Te3 убывает в 1,5 раза,
подвижность несколько возрастает. Добротность Z таким способом
удается улучшить в полтора — два раза.
4.	О возможности увеличения Z
при изменении механизма рассеяния
ТермоЭДС невырожденного полупроводника
а=±^[(г + 2)-и*],	(VI.19)
поэтому при изменении механизма рассеяния и соответственно г можно
ожидать изменения а и Z. Например, при рассеянии на акустичес-
ких фононах г » —g-, при рассеянии на ионизированной примеси
г = 3/2; таким образом, при переходе от одного механизма рассея-
ния к другому термоЭДС при сохранении оптимальной концентрации
может существенно возрасти.
Для увеличения влияния рассеяния на примеси при неизменной
концентрации носителей тока предложено [9] использовать механизм
компенсации, который реализуется, если легирование производится
одновременно акцепторными и донорными примесями. При наличии
компенсации концентрация носителей тока п =	— NА, число
ионов Уи==Уа4-А/д, где ^д и концентрация доноров и акцепторов
после введения примеси. Таким выбором п = Уд — NA для электрон-
ного материала и п х= NA — Уд для дырочного достигается опти-
мальная концентрация носителей тока, а увеличением Уи — рост влия-
ния рассеяния на примеси и соответственно увеличение термоЭДС и Z.
5.	Влияние кристаллографической ориентации
на добротность термоэлектрических
материалов
У многих кристаллических веществ коэффициенты, характеризующие
добротность материала, анизотропны. Анизотропия наблюдается и в
полйкристаллических порошковых материалах, полученных из изо-
тропных или анизотропных веществ прессованием. У таких материалов
216
в большинстве случаев выделенным является направление прессова-
ния. Значение термоэлектрической добротности анизотропных мате-
риалов существенно зависит от ориентации относительно направле-
ния теплового потока и электрического тока.
Влияние ориентации различно при разных соотношениях геомет-
рических размеров термоэлементов. Точный расчет такого влияния
является сложной задачей. Чаще всего рассматривают два предель-
ных случая — для плоских и длинных образцов (рис. VI.5). Для
плоских образцов, изготовленных из одноосных кристаллов,
о? = °ii cos3 ф + 0-22 sin3 ф,
х<р = Х11 cos2 ф 4- х22 Sin2 Ф,
(VI. 20)
Рис. VI.5. Ориентация векторов напряженности электричес-
кого поля ©, плотности электрического тока /, градиента тем-
пературы v?, плотности теплового потока q:
а ‘"“в плоских образцах (с > d)-, б - в длинных образцах (с < d); xlif
кристаллографические или выделенные направления в образце 1;
2, 4—электрические, или тепловые, контакты; 3 ® эквипотенциальные
линии или линии равной температуры.
где о^,	— значения электро- и теплопроводности для выбранной
ориентации, ф — угол1 между кристаллографическим направлением и
гранью образца. Для длинных образцов
~ = —г cos2 ф + -5- sin2 ф, — = — cos2 ф 4—— sin2 ф.
С^(р	0'22	'	%11	^22
(VI.21)
Термоэлектрическая добротность для выбранной ориентации оп-
ределяется по формуле [7]
=	(VI.22)
Из (VI.22) при известных 04 f, а22, хд, х22 находится угол ф, со-
ответствующий максимальной добротности.
Анизотропные термоэлектрические материалы часто состоят из
монокристаллических блоков, плоскости которых разориентированы.
Такие блоки образуются при выращивании BiaTe3, сплавов Bi,
217
Bi—Sb и др. Разориентация блоков влияет на свойства материала.
Электропроводность (и аналогично теплопроводность) слитка с час-
тично разориентированными блоками находится в пределах <
< о < о^р), где
7С
J Р (ф) (cos2 Ф + sin2 ф) ^Ф •
"Т	(VI. 23)
%
о(2р) == an [ J р (ф) ^cos2 ф + sin2 ф^ с?ф j
к
т
(Р (ф) ~ функция углового распределения блоков [5]).
Если диаметр слитка или образца соизмерим с размерами бло-
ков, то
1
а = ац
(VI.24)
sin2 ф • р (ф) dq>
откуда следует, что для тонких образцов влияние разориентации
блоков особенно существенно.
Уменьшение влияния рассмотренных факторов на термоэффек-
тивность достигается минимальной разориентацией блоков и выбором
такого ф по формуле (VI.22), при котором достигается максималь-
ное значение Z .
6.	Методы повышения добротности порошковых
термоэлектрических материалов
Термоэлектрические материалы, полученные из порошков горячим
или холодным прессованием, благодаря технологической простоте и
возможности изготовления термоэлементов необходимых размеров в
настоящее время применяются наиболее широко. Для их описания
используют различные модельные приближения [5, 7, 12, 13].
В простейшем случае, когда материал всех зерен однороден и
изотропен, контакт между зернами идеален и влияние различных
микроскопических эффектов пренебрежимо мало, выражения для
описания электро- и теплопроводности порошков изоморфны, поэтому
независимо от конфигурации зерен, их размеров, взаимной ориента-
а
ции и площади контактов отношение — должно оставаться посто-
%
янным. Коэффициент термоЭДС также не должен зависеть от пере-
численных факторов, поэтому значения Z для порошковых и моно-
218
кристаллических материалов должны совпадать. В большинстве слу-
чаев добротность порошковых материалов несколько меньше, чем у
монокристаллов, из-за дополнительного рассеяния фононов и носи-
телей тока на границах зерен, дислокациях, вакансиях, микротре-
щинах, из-за наличия окисных пленок и т. д.
При использовании порошков из анизотропных материалов до-
бротность прессованных порошков может оказаться существенно
меньше, чем у монокристаллов. Для исследования влияния анизотро-
пии электро- и теплопроводности на значение термоэлектрической
добротности методом Оделевского [12, 13] были найдены [5] эффек-
тивные значения электропроводности оЭф и теплопроводности хЭф
при беспорядочной ориентации зерен. Для порошка из одноосных
кристаллов получено
аэф =	а11а22> Хэф ==	Х11Х22-	(VI.25)
Из (VI.25) следует, что — во всех случаях, кроме — = — , мень-
иЭф	xii х22
ше наибольшего из отношений —т. е. произвольное расположение
зерен уменьшает значение Z. Анизотропия термоЭДС при разориен-
тации зерен приводит к возникновению вихревых токов, что также
ухудшает свойства материала.
Для достижения максимальной добротности необходимо произ-
водить ориентацию зерен. В слоистых материалах, например сплавах
на основе Bi2Te3, такая ориентация достигается при горячем прес-
совании [7, 8] — зерна располагаются плоскостями спайности перпен-
дикулярно направлению прессования. Ориентация достигается и при
изготовлении образцов методом экструзии. При использовании таких
приемов порошковый материал становится анизотропным и по доб-
ротности приближается к монокристаллам.
Рассеяние фононов на дефектах прессованного p-Bi0,5sbj 5Те3
[3] снижает коэффициент тепл°проводности материалов и компенси-
рует уменьшение термоэлектрической добротности, обусловленное
разориентацией зерен. Установлено, что добротность /z-Bi2Te3Se0,6+J
+ 0,75% СпВг возрастает при уменьшении давления прессования,
увеличении температуры спекания в атмосфере водорода и сокра-
щении времени спекания. При такой корректировке технологического
режима возникают условия, при которых границы зерен интенсивно
рассеивают фононы, оставаясь «прозрачными» для электронов [7],
о
вследствие чего отношение — возрастает.
Механизм увеличения Z, обусловленный туннелированием на гра-
ницах зерен, исследован Н. С. Лидоренко с сотрудниками [10, 11].
(У Ч
Установлена возможность существенного роста отношения “ и Z
при наличии щели между зернами шириной в несколько постоянных
решетки перенос тепла фононами практически исчезает, а электроны
могут проходить через щель подбарьерно или посредством термо-
электронной эмиссии. Рассмотрены также механизмы роста Z, обус-
ловленные различием в рассеянии электронов и фононов на порах и
границах зерен [6].
219
Анализ влияния различных факторов на значения о, а, х в по*
рошковом материале проведен в работе [16]. Наиболее важными из
них, приводящими к росту Z, являются: изменение фазовых скорос-
тей электронов и фононов на границах зерен, рассеяние на неодно-
родностях среды, наличие поверхностных дефектов и др. В работе
[23] предполагается, что в области контакта зерен -могут образо-
ваться проводящие мостики повышенной электропроводности из-за
наличия пространственного заряда, образованного дефектами струк-
туры. При малых диаметрах контакта (« 100 А) электропроводность
мостиков существенно влияет на общую электропроводность ве-
щества. Дефекты структуры в области контакта приводят к рассея-
нию фононов; при диаметрах контакта, соизмеримых с длиной сво-
бодного пробега фонона, они дополнительно рассеиваются. При ма-
лых размерах зерен фононы дополнительно рассеиваются и на гра-
ницах зерен. Действие этих факторов может привести к увеличению
Z на 300—500%.
Изложенные соображения экспериментально проверялись на
порошках германия [16, 23]; по сравнению с исходным неизмельчен-
ным материалом параметр Z возрос в 4—5 раз.
Аналогичные исследования проведены при использовании РЬТе,
легированного натрием [23]. Порошок (размеры частиц 0,5—50 мкм)
помещался в ампулу при давлении 10~6 мм рт.ст., подвергался виб-
рации до получения 55% исходной плотности и спекался при тем-
пературе ниже температуры плавления. Для двух образцов приведены
такие результаты: р = 10'1 Ом-см, х = 0,313* 10~4 Вт/(см*К), а =
= 132*10“6В/К, Z = 5,56*10~3 КГ1 и р = 1,37*Ю'ЗОм*см, х =
= 2,01 * 10~4 Вт/(см* К), а = 195* 10~6 В/К, Z = 14,2* 10~8 К~х.
В термоэлектрических пленках, как и в порошковых материалах,
наблюдается влияние структуры и размерных эффектов на характер
рассеяния электронов и фононов, приводящее к увеличению Z. Однако
достигнутое повышение добротности не может быть полностью реали-
зовано из-за увеличения теплопроводности термоэлементов подлож-
ками, на которые нанесены пленки.
7.	Другие пути повышения
термоэлектрической добротности
В рассмотренных методах повышения добротности материала не за-
трагивались возможности изменения параметров и вида спектра носи-
телей тока. Между тем, как показывает анализ [9, 15], применение
полупроводников и полуметаллов со сложной структурой спектра
носителей тока (многодолинных с неэквивалентными долинами) су-
щественно увеличивает функциональные возможности управления
свойствами термоэлектрических материалов. До настоящего времени
наибольшие значения Z были получены в анизотропных материалах
со сложной структурой спектра электронов и фононов. Дополни-
тельное повышение Z может быть достигнуто соответствующей опти-
мизацией спектра носителей тока при воздействии на вещество все-
стороннего сжатия или одноосной деформации, магнитного поля и др.
Для каждого из рассматриваемых веществ необходимо разрабатывать
свою методику, приводящую к улучшению Z. Например, при всесто-
роннем сжатии твердых растворов на основе Bi2Te3 термоэлектри-
ческая добротность возрастает [1], рекордно высокие значения Z =
220
= (10 — 11) • 10~3 К*-1 достигнуты на монокристаллах Bi—Sb при
воздействии магнитным полем.
В целом при выборе термоэлектрических материалов следует
отдавать предпочтение веществам, у которых высокая подвижность
сочетается с малым коэффициентом решеточной теплопроводности,
с низкой температурой Дебая, веществам из тяжелых атомов со слабо
связаннными молекулами. Легирование должно производиться при-
месями, образующими уровни с малой энергией ионизации, с тем,
чтобы в рабочем интервале температур уровни были полностью иони-
зированы и концентрация носителей тока сохранялась постоянной.
Необходимо использовать вещества, у которых в заданном интервале
температур сохранялись бы условия оптимальной концентрации. Если
интервал температур широк, целесообразно применять вещество с
меняющейся вдоль ветви термоэлемента концентрацией носителей тока
или использовать каскадирование.
§ 2.	Оптимизация материалов
для анизотропных термоэлементов
Анизотропия термоЭДС (Да = a;/— а^, см. (III.41)) в значитель-
ной мере определяет значение термоэлектрической добротности Za.
Наибольшие значения Да достигаются [2, 4, 21, 25] при наличии
нескольких сортов носителей тока (см. гл. I, § 1). Для этого слу-
чая входящие в (III.41) величины, при действии преимущественно
одного механизма рассеяния для всех носителей тока, могут быть
записаны в виде [2]
pf
(VI.26)
f=l
= x$	” + V x<P + V <$><$’ <a(Z’ " a<S))?> (VI.27)
f	“ f.g
Aa - an - a2a =	{(4 + A£*)	-
e ОЦО22	11
«/ г,
f=\ /2=1
- 2	(VI.28)
где
Q;	Ff
= s e = s
f=l	f=Qf+l
Ff—количество сортов носителей заряда, ajf и — компоненты,
отнесенные к кристаллографическим осям тензоров электро- и тепло-
проводности /-го энергетического экстремума, индекс f = 1, 2, ... ,Qf
221
нумерует минимумы зоны проводимости, f —	4- 1,	-f- 2,	,
Г? нумерует максимумы валентной зоны, х^ — компонента тензора
решеточной теплопроводности, — изотропная термоЭДС носителей
£	АЕ
/-го экстремума, ДЕ ==	— приведенная ширина запрещенной
зоны, ДЕ I =	, где ДЕ^ — расстояние по шкале энергии между
положением f-ro энергетического экстремума и дном зоны проводи-
мости или потолком валентной зоны.
Для большинства веществ ДЕ^ < ДЕ и термоэлектрическая доб-
ротность
п(/г) (р) _ (и) (р)12
G22G11	а11 g22
(Ъ \
(4 +ДЕ*)2
(кУ2 + V/2rJ х
"И а11а22
X {/апа22 (х<*> + х<*’) + (А0)2 Т [4 (,К~т + к\'2) auff22 +
+ (4 +	</2 + а<">а<Р^7’/2)]}-х,	(VI.29)
где Ка = ог22/°г11 ~ фактор анизотропии электропроводности.
Как и в случае материала для термопарных элементов, опти-
мальным выбором концентрации носителей тока представляется воз-
можным достичь максимума Za. Он реализуется при
_Д£^/ * *\3/4
ДМ = М— М = 4,82 • 10«Г3/2е	2	х
ДА’	\ /П2 /
/Мп\1/2	/Ц„\1/2
х Н -R)	,	(VI.зо)
\“п/ \ир)
где
«:= [S	(т^Птз*(П)1/2ехр(-ЛЕ*)]2/3,	(VI.31)
-MS	«Р (-Л£*,)]=/а.
f=Qf+^
un = mn [S^H m22 m33 )' ехр (—ДЕр uY/J1/2 х
f=i
х [ 2	’)1/2 ехр (-ДЕ*) «‘р]1'2,	(VI.32)
;=i
"» = ”Г3/2| S (^"’":"’"»'’>,'2ехр(-лг«)„»|]«х
Г=<2/+1
Х[ s	(vi.33)
f=<?£+l
222
Здесь	— главные значения тензора обратной эффективной
массы носителей /-го экстремума, и$ — компоненты отнесенного к
кристаллографическим осям тензора подвижности, т — масса сво-
бодного электрона.
Из (VI.30) следует, что максимум Za достигается при введении
примеси одного типа: донорного, если ир > ип, или акцепторного,
если ир < ип. При выборе материала для термоэлементов, исполь-
зующих анизотропию термоЭДС, целесообразно отдавать предпочте-
ние веществам с малым значением решеточной теплопроводности,
большими эффективными подвижностями ип и ир и с отношением
факторов анизотропии	удовлетворяющим одному из сле-
дующих условий:
Л(р)
>1или-4-т<1.	(VI.34)
§ 3. Оптимизация материалов
для короткозамкнутых термоэлементов
с анизотропной электропроводностью
Термоэлектрическая добротность короткозамкнутых термоэлементов
при достаточно большой плотности замыкающих проводников [2]
определяется из выражения (IIL68). Требования к материалам и ус-
ловия оптимизации для общего случая, когда поперечная ЭДС вы-
звана анизотропией как термоЭДС, так и электропроводности, не
изучены. Анализ приведен только для двух частных случаев: при
отсутствии замыкания (т. е. для анизотропного термоэлемента,
смг § 2 настоящей главы) и для условия ссп — а22 « 0, когда вклад
в поперечную термоЭДС, вызванную анизотропией термоЭДС, пре-
небрежимо мал. Для второго случая оптимизация по концентрации
носителей тока, полученная из условия dZ^/dn = 0, показывает,
что максимум ZK3 достигается в области примесной проводимости.
В этом случае выражение (II 1.68) сводится к виду
4з = ^(Ф. ka,	(VI.35)
4 у хих22
где
sin2 2ср (А71/2 — /<У2)-
а’	(К~1/2 sin2 ф +/<y2cos2 ф) (А7^2 cos2 ф+
+ ЛУ2 sin2 ф) (Л“1/2 cos- Ф + ^/2 s*n2 ф)
(VI.36)
Из (VL36) следует, что при достижении максимальной анизотропии
электропроводности Ка условия максимума ZK3 совпадают с усло-
виями оптимальной концентрации обычного термопарного элемента.
223
Таким образом, при выборе материалов для короткозамкнутых
термоэлементов предпочтение следует отдавать веществам с воз-
можно большей анизотропией электропроводности (Ks = 2-4-8),
большей подвижностью носителей тока и минимальной теплопровод-
ностью. Легирование до оптимальных концентраций носителей тока
должно производиться примесями, приводящими к одновременному
возрастанию анизотропии электропроводности (например, монокри-
сталлов Bi2Te3 и сплавов на их основе — донорными примесями,
монокристаллов CdSb — акцепторными).
§ 4.	Пути увеличения
термомагнитной добротности
Термомагнитная добротность определяется выражением (III. 107).
Анализ, проведенный для различных моделей полупроводников и
полуметаллов, показывает, что при наличии одного сорта носителей
тока термомагнитная добротность невелика и не представляет прак-
тического интереса. Она возрастает при участии в проводимости
двух или большего количества носителей тока (электронов и дырок).
Проведены расчеты термомагнитной добротности для моделей вален-
тной зоны и зоны проводимости различной степени сложности в ус-
ловиях слабых, промежуточных и сильных магнитных полей, для
различных механизмов рассеяния носителей тока с учетом и без
учета вырождения [14, 17, 20, 22, 24, 27, 28]. В большинстве слу-
чаев получены громоздкие формулы, из которых следует:
1.	Для веществ с двумя сортами носителей тока — электронами
- и дырками — максимальные значения ZH достигаются в области соб-
ственной проводимости при равенстве подвижностей электронов и
дырок.
2.	Если подвижности электронов и дырок не равны, максималь-
ные Zff реализуются в области смешанной проводимости при легиро-
вании акцепторными примесями, если подвижность электронов больше
подвижности дырок, и донорными примесями, если подвижность
дырок больше подвижности электронов. Для каждой температуры
существует оптимальная концентрация легирующей примеси.
3.	Добротность достигает максимальных значений в условиях
[uBf Т ТТ
сильного магнитного поля, когда |^1 > 1* Для реализации этого
условия необходимо использовать материалы с большой подвижно-
стью носителей тока с тем, чтобы не применять труднодостижимые
большие напряженности магнитного поля.
4.	Следует выбирать вещества с оптимальной шириной запре-
щенной зоны, для которой достигается максимум ZH в требуемом
интервале температур. Для большинства практических случаев это
узкозонные полупроводники.
5.	Как и для других термоэлектрических устройств, необходимо
выбирать материалы с минимальной решеточной теплопроводностью,
что в большинстве случаев характерно для веществ с большими
атомными массами.
224
6.	Для достижения большой электропроводности необходимы
материалы с большой эффективной массой носителей тока. В соче-
тании с требованием высокой подвижности это условие может быть
реализовано в многодолинных анизотропных полупроводниках.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Аверкин A. A.f Гольцман Б. М., Кутасов В. А. и др. Влияние гидростатиче-
ского давления на термоэлектрические свойства твердых растворов на ос-
нове Bi2Te3.—В кн.: Термоэлектрические материалы и пленки. Л.: Изд-во
АН СССР, 1976, с. 4—7.
2.	Анатычук Л. И. Вихревые термоэлектрические токи и возможности их
практического использования: Дис..., д-ра физ.-мат. наук. — Львов,- 1973.
— 217 с.
3.	Воронин A. Н.< Гринберг Р. 3. Исследование влияния дисперсности на термо-
электрические свойства Bi —Те —Sb.—В кн.| Тр. II Междунар. конф, по
порошковой металлургии. Прага, 1966, т. 4, с. ПО—118.
4.	Гицу Д. B.f Иванов Г. А., Попов А. М. О термоэлектродвижущей силе в
висмуте и его сплавах с теллуром.—ФТТ,- 1962, 4, № 1, с. 22—28.
5.	Гольцман Б. М., Смирнов И. А. Теллурид висмута и твердые растворы на
его основе: Материалы, используемые в полупроводниковых приборах/Под
ред. К. Хогарта. Доп. 2.—М.: Мир, 1968.—348 с.
6.	Гольцман Б. М., Саркисян В. Ш., Стильбанс Л. C.f Шлыков В. В. Исследо-
вание влияния пор и границ зерен на электропроводность и теплопровод-
ность термоэлектрических материалов.—Изв. АН СССР. Неорган. материалы,
1969, 5, № 2, с. 283—286.
7.	Гольцман Б. М., Кудинов В. А., Смирнов И. А. Полупроводниковые термо-
электрические материалы на основе Bi2Te3.— М.: Наука, 1972.— 320 с.
8.	Дудкин Л. Д., Каган А. С.< Воронов Б. К. и др. Анизотропия электрических
характеристик образцов сформованных из порошков термоэлектрических
материалов.—Изв. АН СССР. Неорган. материалы, 1976, 12, №	8,
с. 1338—1342.
9.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы.— Лл Изд-во АН СССР,'
I960.— 188 с.
10.	Лидоренко Н. С., Андрияко В. А., Дудкин Л. Д. а др- О влиянии туннели-
рования на эффективность термоэлектрических	устройств.—Докл. АН
СССР, 1969, 186, №6, с, 1295—1297.
11.	Лидоренко Н.С., Нарва О. M.t Дудкин Л. Д., Ерофеев Р. С. Влияние порис-
тости и качества межзеренных границ на электро-и теплопроводность
полупроводниковых термоэлектрических материалов.— Изв. АН СССР. Неор-
ган. материалы, 1970, 6, № 12, с. 2112—2118.
12.	Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем,
1.	Матричные двухфазные системы с невытянутыми включениями.—ЖТФ,
1951, 21, № 6, с. 667—677.
13.	Оделевский В. И. Расчет обобщенной проводимости гетерогенных систем
3. Поликристалл.—ЖТФ, 1951, 21, № 11, с. 1379—1382.
14.	Осипов Э. В. Гальваномагнитные охладители.—Электрон, техника. Сер. 15.
Криогенная электрон., 1970, № 1, с. 34—48.
15.	Регель А. Р., Стильбанс Л. С. О термоэлектрической энергетике.—ФТП,
1967, 1, № 11, с. 1614—1619.
16.	Стильбанс Л. Терехов А. Д.( Шер Э. М. Некоторые вопросы явлений
переноса в гетерогенных системах.—В кн.: Термоэлектрические материалы
и пленки. Л.: Изд-во АН СССР, 1976, о. 199—210.
17.	An grist S. W. A Nernst effect power generator.—Pap. ASME, 1962, № HT-36,
p. 41—48.
18.	Altenkirch E. Uber den Nutzeffect der Thermosaule.—Phys. Z., 1909, Ю,ь№ 16,
S. 560—568.
19.	Altenkirch E. Electrotermisch Kalteerzeugung und reversible elektrische Hei-
zung.—Phys. Z., 1911, 12, № 21, S. 920—924.
20.	Delves R. T. The prospects for Ettingshausen and Peltier cooling at low tem-
peratures.—Brit. J. Appl. Phys., 1962, 13, № 9, p. 440—445.
21.	Drabble J. p. The effect of strain on the thermoelectric properties of a many-
valley semiconductor.—J. Electron. Control., 1958, 5, №4, p. 362—372.
22.	New cooler uses thermomagnetic effect.—»Electronics, 1963, 36, №36, p. 84,
86—88 .
23.	Green M. Пат. 3524771 (США). Semiconductor devices.—Опубл. 18 08.70.
24.	Harman T. C. Criteria for the optimization of the Nernst figure of merit.
— Appl. Phys. Lett., 1963, 2, № I, p. 13—15.
§ 9-413
225
25.	Samoilovlch A, G>t Nltsovich M. V.t Nitsovlch V. M. On the theory of aniso-
tropic thermoelectric power in semiconductors.—Phys, status solid!, 1966, 16,
№ 2, p. 459—465.
26.	Simon R. Thermoelectric figure of merit of two-band semi conductors. — J. Appl.
Phys., 1962, 33, №5, p. 1830—1841.
27.	Ure Roland W. G. Theory of materials for thermoelectric and thermomagnetic
devices.— Proc. IEEE, 1963, 51, № 5, p. 699—713.
28.	Wright D. A. Theory of the Nernst—Ettingshausen generator.—-Brit, J. Appl.
Phys., 1962, 13, № 12, p. 583—586.
Глава VII. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Методы измерения термоЭДС
Наиболее широко применяется стационарный метод измерения термо-
ЭДС на образцах правильной геометрической формы (прямоуголь-
ных, цилиндрических) [31]. Перепад температуры, обычно не превы-
шающий 10—15 К, устанавливается в образце нагревателем и холо-
дильником. Коэффициент термоЭДС
а = -£г	- (VII.1)
определяется по измерениям перепада температуры ДТ в двух до-
статочно удаленных друг от друга точках образца, находящихся
обычно на одной из линий теплового потока. ТермоЭДС Е измеря-
ется в этих же двух точках или в других, расположенных с ними
на линиях равной температуры (рис. VI 1.1, /). Предпринимаются
меры для снижения погрешности измерений: сводится к минимуму
отвод тепла по ветвям термопар, применяются потенциометрические
методы измерения ЭДС и др.; при измерениях термоЭДС в качестве
зондов иногда используют электроды термопар (рис. VII.1, //),
а также комбинации нескольких напряжений, измеренных между
электродами термопар [12]. Искомый коэффициент термОЭДС в этом
случае определяется по формуле	*
£
а^Е -F	(VIL2)
сав г'бг
где и Ебг — термоЭДС на соответствующих электродах (см.
рис. VII.1, II), ааб — коэффициент термоЭДС пар электродов а, б
или в, г (термопары аб и вг выполнены из одинаковых пар мате-
риалов).
Используют и мостовые схемы [22] (рис. VII.1, III, IV). Коэф-
фициент термоЭДС в этом случае определяется по формуле
^аб^ав
а“ /г(/? + 2гг)‘
(VII.3)
где /г — ток через гальванометр,
R = + гб = гв + г г.
(VI 1.4)
8’
227
Кроме условия (VII. 4) при использовании формулы (VI 1.3) не о б’
ходимо также удовлетворить условию
ГаГв = гбгв>	(VII.5)
которое достигается, если в плечи моста ввести дополнительные
сопротивления.
V/
Рис. VI 1.1. Методы определения термоЭДС в стационарных тем-
пературных условиях:
I« схема для измерения разности температур двумя дифференциальными тер-
мопарами и термоЭДС образца зондами; II — схема, в которой для измерения
термоЭДС образца использованы электроды термопар; III, IV — мостовая схема
для измерения термоЭДС; V — схема с дифференциальной термопарой; VI
схема с компарированием; I — нагреватель; 2, & — термопары; 4 — холодильник;
5, 6 — электроды; 7— электрод с электроизолированной термопарой; 8— уси-
литель; Р — измеритель; а, б, в, г — электроды термопар; га, г$, гв, гг — со-
противление электродов; гг — сопротивление гальванометра; Е? 9 Е?* — тер-
моЭДС, развиваемые термопарами 2, Я; Е^т = Е? — Е? .
228
Для измерения перепадов температуры используют и дифферен-
циальные термопары. В этом случае один из спаев электрически
изолируется от образца (рис. VII. 1, V), коэффициент термоЭДС оп-
ределяется из равенства
(VH.6)
Измерения разности температур при наличии электрического
контакта спаев термопар с образцом можно производить с помощью
компаратора [15—17, 31] с конденсатором (рис. VII. 1, VI). При
подключении конденсатора к термопаре 2 он заряжается до значе-
ния, близкого к Еаб. При переключении регистрирующим устройст.
вом в начальные моменты времени измеряется величина, пропорцио-
нальная Еа5 — Евг = ELT.
Для достижения в образце стационарных температурных усло-
вий обычно требуется достаточно много времени. Быстрые измере-
ния коэффициента термоЭДС производятся нестационарными мето-
дами. Для этой цели могут быть использованы [26] быстродейст-
вующие приборы, регистрирующие перепад температуры в образце
и значение термоЭДС. В установке применены два нагревателя —
одним создается перепад температуры в образце, вторым задается
темп разогрева образца. Применяется [1] непрерывная зацись раз-
ности температур и термоЭДС образца двухкоординатным самопис-
цем, позволяющая при небольших нарастающих перепадах темпера-
туры определять значение термоЭДС непосредственно по наклону
прямой на графике Е == Е (ДТ).
Для измерений термоЭДС .иногда используют и нестационарный
тепловой поток. Создана установка, в которой образец подвергается
небольшим нагревам модулированным светом (21 Гц) лампы накали-
вания [41]. Полученные переменные термоЭДС измерительной тер-
мопары термоЭДС измеряемого образца усиливаются, детектиру-
ются и используются для определения коэффициента термоЭДС
образца.
Применяется также метод, при котором разогревается только
о^ин конец образца, а второй поддерживается при постоянной тем-
пературе. Измеряется интегральная термоЭДС £и и температура
горячего конца образца Тг. Графическое дифференцирование зависи-
мости £и (Тг) позволяет определять коэффициент термоЭДС [42, 43].
Для быстрых измерений коэффициента термоЭДС и определения
неоднородности материалов используют метод горячего зонда [9,
27, 28, 31]. На поверхности образца устанавливают зонд, разогре-
ваемый миниатюрной печкой. Вблизи острия зонда монтируют тер-
мопару. Зондом осуществляется локальный разогрев образца, приво-
дящий к возникновению термоЭДС. ТермоЭДС измеряется относи-
тельно другого зонда, расположенного за пределами нагретой
области. Основные погрешности при использовании горячего зонда
возникают из-за искажений при измерении температуры острия.
Поэтому термопару размещают* по возможности ближе к острию
или используют две термопары, вмонтированные на различном рас-
стоянии от острия. По перепаду температуры в теле зонда при
известной его конфигурации рассчитывается температура в области
‘ 229
соприкосновения острия с образцом. Неоднородности на поверхности
образца могут быть обнаружены по изменению термоЭДС при пере-
мещении зонда. Погрешность измерения коэффициента термоЭДС
обычно составляет 2—5%.
§ 2. Методы измерения электропроводности
1. Двухзондовые методы
При измерениях электропроводности методами двух зондов исполь-
зуются длинные образцы правильной формы (цилиндрические, пря-
моугольные и др.). К двум торцам образца монтируются токовые
контакты, на одной из поверхностей вдоль линии тока устанавлива-
ются два зонда (рис. VII.2, а). Зна-
чение электропроводности определя*
ется по формуле
II
° ~ Us ’
(VII.7)
где I — ток через образец, U — паде-
ние напряжения на зондах, I — рас-
стояние между зондами, s — площадь
сечения образца перпендикулярно
току.
Основными источниками погрешно-
стей являются отступления от геомет-
рических размерив образца и некаче-
ственный контакт с токовыми электро-
дами, приводящие к перераспределе-
нию тока в образце (при этом погреш-
ности могут достигать 15% и более
в зависимости от расстояния- зондов
от краев образца). Для уменьшения
этих погрешностей целесообразно рас-
Рис. VI 1.2. Двухзондовые методы оп-
ределения электропроводности:
а — схема простейшего двухзондового ме-
тода; б, в—схемы двухзондовых методов
на переменном токе; 1,5 — токовые элект-
роды; 2 —образец; 3, 4 — измерительные
зонды; 6 — эталонное сопротивление; 7 —
потенциометр переменного тока; 8 — инди-
катор нуля.
полагать зонды на расстоянии, не меньшем размера токового кон-
такта; положительные результаты дает применение прижимных сеток
или системы игольчатых токовых электродов. Отступление от изо-
термичности, приводящее к.возникновению термоЭДС, исключается
измерениями при протекании тока в двух противоположных направ-
лениях. Такие погрешности уменьшаются и при измерениях на пере-
менном токе; в схемах используется как обычный метод измерения
230
падений напряжений на образце и эталонном сопротивлении (рис.
VII.2, б), так и непосредственное сравнение падений напряжения на
зондах и на эталонном образце (рис. VII.2, в) [31]. Для сравнения
падений напряжения используют также емкостный компаратор До-
фине [46].
2. Метод Ван-дер-Пау
Метод используется для измерения электропроводности плоских
образцов произвольной формы [31, 55] (рис. VII.3, а). Значение
электропроводности определяется из равенства
e^h0<jRs = ।
(VII.8)
где h0 — толщина пластины, Rf = ^4>з//1#2, Rz = ^4,1^2,3» ^4,3 и
{/4 ! — разность потенциалов на соответствующих электродах, /j 2
и /2#з ““ токи чеРез электроды.
Рис. VII.3. Образцы для определения электропро-
водности методом Ван-дер-Пау:
а — плоский образец произвольной формы (1^4 элект-
роды); б **- диск с зондами; г прямоугольные плас-
тины с зондами.
Для круглого плоского образца с симметричными зондами, рас-
положенными на некотором удалении от края (рис. VI 1.3, б), эле-
ктропроводность определяется из выражения [45, 49]
1п2 + 21п {1 + 2(W~ In [1 + 4 (c/d)4]} . ,VTT q\
G ;	(Z?i + Z?2)M	’ (	}
для прямоугольной пластины с симметрично расположенными зон-
дами (рис. VII.3, в), когда ток пропускается через контакты /, 3
231
и падение напряжения снимается с зондов 2, 4,
а
“t/Ло
(VII. 10)
для прямоугольной пластины с симметричными зондами,^располо-
женными, как показано на рис. VI 1.3, е,
°-т;-	<V,I">
Значения lOjTFj для 2Ij = 2/2 = 1 мм и значения 10V2 для 2/j =
= 2/2 = /2 мм приведены в табл. VII. 1 и VII.2. Для других зна-
чений at b, llt'l2 значения и F2 могут быть определены из формул
[1	।	1-	/1	|	1	Tlk
1 + ch — (b — /) 1 — cos — i
a '][a
Таблица VII.1
Значения lO^F^ для определения электропроводности [55]
26, мм	2а= = 1,0 мм	1,2	1,6	2,0	2,4	2,8	3,2	3.6	2а= =4,0мм
1,о	2206	3488	5044	5611.	5785	5836	5851	5854	5856
1,2	1295	2203	3499	4094	4323	4406	4436	4146	4450
1,6	0730	1265	2118	2594	2829	2939	2990	3013	3024
2,4	0599	0998	1608	1954	2141	2242	2296	2325	2341
2,6	0564	0912	1399	1654	1790	1869	1915	1943	1960
2,8	0554	0883	1309	1504	1600	1655	1690	1713	1728
3,0	0553	0887	1285	1460	1539	1584	1612	1632	1654
Таблица VII.2
Значения 10^F2 для определения электропроводности [55]
2а, мм	2b— 1,6 мм	2,0	2,4	2,8	3,2	' 3,6	4,0	26=4,4 мм
1,6	2170 _	2096	2044	2017	2004	1998	1995	1994
2,0	2096	1988	1909	1860	1833	1818	1809	1805
2,4	2044	1909	1807	1742	1702	1677	1663	1654
2,8	2017	1860	1742	1664	1613	1582	1560	1574
3,2	2004	1833	1702	1614	1555	1516	1491	1474
3,6	1998	1818	1677	1582	1516	1473	1443	1423
4,0	1995	1809	1663	1560	1491	1444	1410	1388
4,4	1994	1805	1654	1547	1474	1423	1387	1362
4,8	1993	1803	1649	1539	1462	1408	1371	1344
232
p -ai~b2
a 12a6
J -212
2a 4ab л
п=2, 4, ...
ch [nn (a —- Z1)/2c>]
, /лпа \
"sh hr)
Ttfll2
C0S~2T~
ch лп —r-±
L______b
, лпа
n sh—7—
n=2, 4, ...	b
Л=2, 4,...
1 + ch Ttk -----~
L______a
, . nkb
k sh----
a
3.	Четырехзондовые методы
(VII. 12)
Эти методы применяются для измерения электропроводности и оп-
ределения неоднородности слитков. Четыре зонда располагаются
на одной прямой, через крайние пропускается ток /, на внутренних
измеряется разность потенциалов U. Для случая, когда расстояние
между зондами значительно меньше размеров образца и расстояния
до его краев, определять электропроводность можно по формуле,
выведенной для полубесконечного пространства:
a =	----!------!—(VII.13)
2tiU \h l3 fa + /2	/2 + /3 /
где 1ц l2t /3 — расстояния между зондами [54]. Если h 53 /2 ~ Is =*
=* I, то
I
2лЩ *
(VII.14)
Если значение I соизмеримо с размерами образца или расстоянием
до его края, необходимо вводить [53, 54] поправочные функции Е/:
(VII. 15)
X
где а0 — электропроводность, вычисленная по формуле (VII. 14).
Для,непроводящей границы (рис. VII.4, а)
Ft (£)------------j----------------------j---------j— ,(VII. 16)
1	+ 1 + 2d/l ~ 2 + 2d/l ~ 4 +2d/1 + 5 + 2d/l
Для непроводящей границы и расположения зондов, показанных
на рис. VII.4, б,
F (£) _____________________!_________________
2	\ I / “ “7	§	!	i I (VII. 17)
ф [1 + (2d/l)^/i	[i+(Wl^'
233
для проводящей границы (см. рис. VII.4, а)
Ч4)=,—	. 	т—г- —г—:
1 + 2d/l "Г 2 + 2d/t *" 4 + 2d/l 5 + 2d/l
для проводящей границы (см. рис. VII.4, б)
г' 1 ,	.	 <™л9>
[1 4-(2d/Z)“JVa +|I + W<)II1A
Рис. VI 1.4. Схемы, поясняющие
четырехзондовые методы изме-
рения электропроводности:
а, б, в — варианты расположения
зондов у границ образца для опреде-
ления поправочных функций; г —-
схема метода с зеркально располо-
женными зондами.
Функции Fi при возрастании d/l приближаются к единице, и при
d/l > 2 влиянием границы можно пренебречь. Графики поправочных
функций Ft приведены на рис. VII.5.
Если образец расположен на изолированной или проводящей
подложке (рис. VII.4, в), то
a = (j0Gi(h0/l),	(VII.20)
где i == 1 для проводящей подложки, 1 = 2 для изолированной под-
ложки:
' 4 h0 S ( П)" { [(//Ло)2 + (2л)?]1/а
rt=l
“ [(2//Л0)? + (2n)?]1/a)’	(VII.21)
234
Рис. VII.5. Графики поправочных функций F(- (d/l) [54].
Графики поправочных функций приведены на рис. VII.6.
Для зондов, расположенных, как показано на рис. VI 1.4, г,
I ( I V4 Г/ 7 V l-Wi
+"d ) (v,L23)
Л==1
где Z — ток через зонды 1, 3, U — напряжение через зонды 2, 4.
При l/ho < 0,1
I I 4/	\
<V,L24>
235
Повышение чувствительности при использовании четырехзондо-
вой головки достигается, если зонды располагать, соблюдая усло-
вие =/3 </2 [Н]. При использовании трубчатой измерительной
головки [48] (рис. VII.7)
= 1 1
k 2nlU ’
(VII.25)
где k опр еделяется по графику на рис. VII.8.
Рис. VI 1.6. Графики по-
правочных функций G[ (h0/l)
[54]. L
рехзондовая труб-
чатая измеритель-
ная головка:
1, 5 — трубчатые по-
тенциальные зонды;
2, 7 — электроизоля-
ция; 3, 6 — токовые
зонды; 4 •— образец.
Рис. VI 1.8. График для нахождения k при определении
электропроводности трубчатой измерительной головкой.
Разработаны также многочисленные методы определения одно-
родности образцов по электропроводности с применением одно-
го, двух или четырех зондов [13, 18, 30, 40, 44]. Созданы уста-
236
новки, позволяющие получать зависимости электропроводности от
температуры в заданных масштабах, например In а как функции
1/Т[34]. Разработаны также методы бесконтактного измерения
электропроводности [31, 32, 36—39] без применения токовых и по-
тенциальных электродов.
§ 3. Методы измерения теплопроводности
Для измерения коэффициента теплопроводности наиболее широко
используются стационарные методы (относительный и абсолютный).
В относительном методе (рис. VI 1.9) исследуемый и эталонный
образцы соединены в последовательную тепловую цепь. К образцам
вмонтированы по две термопары для определения градиента темпе-
Рис. VI1.9. Схема измерения теплопроводности относи-
тельным меюдом:
1 — холодильник; 2, 4, 5, 7 — термопары; 3 — исследуемый обра-
зец; 6 —эталонный образец; 8 —нагреватель.
Рис. VII. 10. Устройство для измерения теплопровод-
ности относительным методом с двумя эталонными об-
разцами:
1, 3 — эталонные образцы; 2 — исследуемый образец; 4 — тепло-
проводящий стержень, передающий давление; 5 — теплоизолирую-
щий порошок (засыпка); 6—10 — секции фоновой печи;.// — элект-
ронагреватель; 12 — основание [31].'
Рис. VI 1.11. Схема измерения теплопроводности абсо-
лютным методом:
/ — термостат; 2, 4 — термопары; 3 образец; 5 нагреватель.
237
ратуры. [При равных поперечных сечениях образцов и равных рас-
стояниях* между термопарами искомый коэффициент теплопровод-
ности определяется по формуле
ДТэт
и = %9т-^,	(VII.26)
где хэт — коэффициент теплопроводности эталонного вещества,
ДТэт — перепад температуры между термопарами в эталонном об-
разце, ДТ — перепад температуры между термопарами в исследуемом
образце. Формула (VII.26) справедлива при
одномерном распределении температуры в об-
разцах и равенстве тепловых потоков, при
1 отсутствии потерь тепла через боковые грани
образца, через термопары и др. Погрешности,
связанные с потерями тепла, учитываются
расчетным путем или сводятся к минимуму
экспериментально радиационными экранами,
теплоизолирующими засыпками, вакуумиро-
ванием, полировкой поверхности образца
для уменьшения переноса тепла излучением.
Вариант устройства для измерения коэффи-
циента теплопроводности приведен на рис.
VII.10 [31].
Более универсальным является абсолют-
ный метод. Схема измерения приведена на
рис. VII.11. Коэффициент теплопроводности
определяется по формуле
J2Rl
&Ts
(VII.27)

Рис. VII. 12. Устройство для измерения теп-
лопроводности абсолютным методом:
1 — груз для прижима нагревателя; 2 — изоляци-
онная засыпка; 3 — охранная печь; 4 — нагреватель
образца; 5 — образец; 6 — кварцевое кольцо; 7 —
стальная шайба; 8 — алундовая трубка; 9 — на-
греватель корпуса; 10 герметизирующий кор-
пус [31].
где / — ток через нагреватель, R — сопротивление нагревателя,
I — расстояние между термопарами, ДТ — перепад температуры
между термопарами, s —площадь поперечного сечения образца.
Предполагается, что вся тепловая мощность электрического нагре-
вателя переносится образцом в термостат. Влияние потерь тепла,
как и в относительном методе, или учитывается расчетным путем,
или экспериментально сводится к минимуму.
Схема устройства для измерения теплопроводности абсолютным
методом приведена на рис. VII.12 [31]. Погрешности измерения
рассмотренными методами составляют около 5—7%. Варианты уста-
новок для измерения коэффициента теплопроводности термоэлектри-
ческих материалов описаны в работах [19, 20, 24].
238
Другие методы, например Кольрауша или нестационарные, не
нашли широкого распространения при изучении термоэлектрических
материалов.
Описание и анализ большинства методов измерения термоэлект-
рических параметров веществ приведены в работе [31].
§ 4. Метод определения
термоэлектрической добротности
материалов для термопарных элементов
Значение Z = 2-2 может быть определено по измерениям электро-
проводности, термоЭДС и теплопроводности. Более удобен метод
Хармана [47], позволяющий определять непосредственно значение Z
из соотношения
2 = l(g-,)(1 + V)>	(VII.28)
где ра и р/ — адиабатическое и изотермическое сопротивления об-
разца, V — поправочный коэффициент. Для нахождения сопротивле-
ний pa, pi образец подвешивается в вакууме на тонких токоподво-
дящих проводниках и измеряются ра при пропускании переменного
и р/ при пропускании постоянного тока.
Поправочный коэффициент, которым усчитываются теплообмен
образца с окружающей средой и отводы тепла по проводникам,
прилегающим к его торцам [3,25], для квадратных образцов со
стороной а приближенно может быть определен по формуле
? = ^[1 + i+4v-S(Wn)1/2]’	(VII.29)
i
для цилиндрических образцов радиуса /?0 — по формуле
(™М)
° i
В формулах (VII.29), (VII.30) а0 — коэффициент теплообмена по-
верхности материала образца с окружающей средой, d — длина
образца (вдоль направления тока), х — коэффициент теплопровод-
ности материала образца, ап и хп — коэффициенты теплообмена
и теплопроводности Z-го проводника, гп — радиус проводника. Более
подробные сведения о поправочных коэффициейтах приведены в ра-
ботах [3, 14, 23, 25, 29, 35].
Погрешности уменьшаются при измерении непосредственно ра/р;.
Схема такой измерительной установки приведена на рис. VII. 13 [52].
Измерения проводятся при различных направлениях постоянного
тока. Электрический сигнал к двухлучевому осциллографу снимается
с образца и последовательно включенного с ним сопротивления.
Отношение отклонений лучей di/d2 осциллографа при изменении
направления постоянного тока пропорционально искомому отношению
239
сопротивлений	Для ZT = 0,5 при Т = 0 погрешность изме-
рений составляет около 2%.
При известном перепаде температуры ДТ легко могут быть
вычислены и значения а, а, х [3]. По напряжениям U на торцах
образца, измеренным при прохождении постоянного тока, и U , из-
Рис. VII. 13. Схема измерительной установки для
определения термоэлектрической добротности ме-
тодом Хармана (а) и вид осциллограмм на.двух-
лучевом осциллографе (б):
1 — источник переменного тока; 2 — источник постоянного
тока; 3 — образец; 4 «- исходное положение, когда оба
луча совмещены; 5, 5 — положения лучей при изменении
направления тока [52].
меренным при прохождении переменного тока, определяется термо-
ЭДС Ua = U — (/р. При известном Ua находятся
а
= ДТ’
Id
1аТ £
ДТ s *
(VII.31)
а =
и =
й’де s — площадь поперечного сечения образца, / — ток через обра-
зец. ДТ измеряется двумя термопарами, вмонтированными к торцам
образца.
§ 5.	Методы измерения анизотропии
термоЭДС
Для определения компонент тензора термоЭДС может быть исполь-
зована обычная методика, применяемая для изотропных веществ.
Образцы вырезаются вдоль главных кристаллографических направ-
лений, измерения производятся при направлениях теплового потока
вдоль этих осей. Точность определения анизотропии термоЭДС таким
образом не очень высока из-за искажающего влияния неоднородности
материала.
Для орторомбических кристаллов более точные результаты
могут быть получены при использовании поперечных термоЭДС,
240
возникающих в прямоугольных образцах, ориентированных кристал-
лографическими осями под углом к направлению теплового потока
(рис. VII. 14, VII. 15). Градиент температуры в образце создается
нагревателем и холодильником, вмонтированным к граням abed и
efgh. Продольная термоЭДС С/ц (вдоль теплового потока) изме-
ряется зондами, расположенными в точках а, е и d, Лили в других
точках, равноудаленных от ad и eh, как показано на рис. VII. 15.
При
£/ц = (ац cos2 ф + а22 sin2 ф)	(VII.32)
где ДТ — перепады температуры между зондами 3,5 и 8,9 (см.
Рис. VI 1.15. Устройство для
измерения анизотропии тер-
моЭДС на образце прямо-
угольной формы:
/ — нагреватель; 2, 6 — тонкие
слои электрической изоляции;
3. 5, 8, Р — электричес кие кон-
такты; 4 — образец; 7 термо-
стат.
Рис. VII. 14. Ориентация образ-
ца для измерения анизотропии
термоЭДС.
рис. VII. 15). Поперечная по отношению к тепловому потоку термо-
ЭДС между точками a, d и е, h
=з (aji — а2г) sin ф cos ф ~ ДТ,	(VII.33)
где I и /п —длины ребер ad и ае. Из уравнений (VII.32), (VII.33)
определяются компоненты ац, а22. Третья компонента находится,
если повторить измерения, предварительно повернув образец на 90°
так, чтобы тепловой поток был направлен перпендикулярно граням
adhe и begf. В этом случае зонды располагаются в точках а,b
и c,d\ продольная и поперечная термоЭДС таковы:
[/'l = {(aif cos2 ф + a22 sin? ф) sin? ф + a33 cos? ф] ДТ,
’	2	. 2 . . , I ЛТ (VII.34)
t/|( = (а33—ац cos? ф — a22sin? ф) sin ф соэф^-ДТ,
где Ло — длина ребра cd. При известных а22 из (VII.34) опре-
деляется а33. Если ф = 0, то и\_ « 0,	= а33ДТ.
Для определения двух компонент термоЭДС на плоских образ-
цах круглой формы [4], вырезанных в одной из главных кристалло-
графических плоскостей, используется измерительное устройство<
241
изображенное на рис. VII. 16. Образец приводится в тепловой
контакт с электроизолированной тепловой подложкой. В подложке
нагреватель и холодильник создают одномерное температурное поле.
Такое же распределение температуры создается и в образце. Два
а
Рис. VII. 16. Устройство для измерения анизотропии
термоЭДС на круглых образцах (а).и схема распо-
ложения образца (6):^
1 — сосуд Дьюара; 2 — термометр сопротивления; 3 — мед-
ный кожух с нагревателем; 4 — радиационный экран; 5 —
термостатирующая жидкость; 6 — тефлоновая ось; 7, 8, 9 —
нейзильберовые трубки; 10 — камера; //,— нагреватель с тер-
мопарой; 12 — тепловая подложка; 13, 17 —образец; 14,15 —
термопары; 16 нагреватель; 18, 19 «= прижимные контакты.
прижимных контакта расположены
Разность потенциалов на контактах
на концах диаметра образца.
U == 2VT7?O (ап cos? ф + а22 sin? ф),
(VII.35)
где v? — градиент температуры, RQ — радиус образца, ф — угол
между кристаллографической осью и осью неподвижной системы ко-
ординат. По измерениям при различных ф строится диаграмма U
(рис. VII. 17), из которой нахо-
дятся ан и а22 при ф = 0 и 90°
по формуле (VII.35). По диаграм-
ме могут быть также определены
Рис. VII. 17. Диаграмма термоЭДС.
главные кристаллографические на-
правления в плоскости образца,
т. е. может быть произведена
ориентация образца.
М2
§ 6.	Методы измерения
анизотропии электропроводности
Для определения компонент тензора электропроводности используют
обычный четырехзондовый метод (см. рис. VII.4) [2]. Две плоскости
образца вырезаются перпендикулярно основным кристаллографиче-
ским направлениям %, z, при измерениях зонды располагаются вдоль
кристаллографических направлений. Компоненты тензора электро-
проводности определяются по формулам
п /2 IUx
°ХХ~^ (it + u) иуиг
н	1иУ
уу nlidi + U) UXUZ9
а _____ I* JU*
zz ^i(/i + Z2)^/
(VII.36)
(VII.37)
(VII.38)
где UXi Uу — кяпряжънпя. на внутренних зондах в плоскости ху
параллельно осям х и у соответственно, Uz — напряжение на внут-
ренних зондах в плоскости yz параллельно оси z, Zf = Z3 — расстоя-
ние между крайним токовым и ближайшим потенциальным зондами,
/2 — расстояние между внутренними потенциальными зондами. При
измерениях вблизи границы образца необходимо вводить поправоч-
ные функции таким же способом, как и в случае изотропных образ-
цов. Метод измерения анизотропии электропроводности четырьмя
Рис. VII. 18. Схема для измерения компонент тензора электропро-
водности на круглых плоских образцах:
1 — образец; 2 — зонды; 3 — эталонное сопротивление? 4 потенциометр; в
переключатель для изменения направления тока через образец; переклю-
чатель токовых и потенциальных зондов; К» переключатель полярности ЭДС
к потенциометру; переключатель для измерения ЭДС на зондах и эталон-
ном сопротивлении.
Рис. VII.19. Угловые зависимости Z/ц (7) и U ± (2).
243
зондами для образцов прямоугольной формы конечных размеров опи-
сан в [21].
Разработана методика измерения двух компонент тензора элект-
ропроводности на круглом плоском образце, вырезанном в одной из
кристаллографических плоскостей [5, 10]. Зонды расположены на
концах двух взаимно перпендикулярных диаметров. Измеряются
напряжения U ц на близлежащих зондах и U± на противолежащих
(рис. VII. 18) при различных углах поворота образца относительно
зондов. По полученным значениям строятся полярные диаграммы
угловых зависимостей t/p и U± (рис. VII. 19). Из рисунка видно,
что U ± достигает максимальных значений t/^aKC при (р = 45°, 135°,
225°, 315°; при <р = 45°, 225° — максимально (£/У|акс); при <р = 135°,
315° — минимально (£^ин). По полярной диаграмме мо1ут произво-
диться кристаллографическая ориентация образца и определяться
значения охх и (Ууу по формулам
г/макс* t
г гмакс_	1 f*
II	2ло0Н0' ’
(/мин _________/о
н 2л(Т(Ло7 ’
(VI 1.39)
(VI 1.40)
(VII.41)
где сг0 == Увхх^уу* — ток через образец, hQ — толщина образца,
f±, f* и — функции, зависящие от параметра анизотропии =
— вхх/вуу (табл. VII.3). Отношения напряжений С^акс/[/“акс и
^максу^мин^ ПрИведенные к одНОМу току, равны соответственно
Из этих отношёний по табл. VII.3 определяют /<а: при изве-
стном /Са находят f±, /♦, f° и, используя одну из формул (VII.39),
(VII.40), (VII.41), определяют а0. Параметры и а0 полностью
определяют искомые компоненты:
°уу — ао ]/"
хх VK ’
(VI 1.42)
Полезными при обработке результатов измерения являются соот-
ношения
= + Л
(VII.43)
г/макс r/макс । г/мин
= 6±	+И| •
Разработана также [7, 50, 51] методика определения трех ком-
понент тензора электропроводности на одном плоском образце, вы-
резанном в одной из главных кристаллографических плоскостей. Две
пары зондов расположены друг против друга на поверхностях образца
244
Таблица VII.3
Значения функций fxi f* и для определения параметра
анизотропии
К,	L		f°		Ko				f*/f9
1,00	0,0000	1,3863	1,3863	oo	1,70	2,1598	2,7446	0,5848	4,693
1,02	0,0792	1,4263	1,3471	18,000	1,72	2,2091	2,7815	0,5724	4,859
1,04	0,1569	1,4663	1,3094	9,345	1,74	2,2580	2,8183	0,5603	5,030
1,06	0,2331	1,4962	1,2731	6,418	1,76	2,3064	2,8550	0,5486	5,204
1,08	0,3080	1,5462	1,2382	5,020	1,78	2,3543	2,8916	0,5373	5,382
1,10	0,3814	1,5861	1,2047	4,158	1,80	2,4019	2,9280	0,5261	5,565
1,12	0,4537	1,6260	1,1723	3,583	1,82	2,4490	2,9643	0,5153	5,752
1,14	0,5247	1,6658	1,1411	3,174	1,84	2,4957	3,0005	0,5048	5,944
1,16	0,5945	1,7056	1,1111	2,868	1,86	2,5420	3,0366	0,4946	6,140
1,18	0,6632	1,7453	1,0821	2,631	1,88	2,5879	3,0725	0,4846	6,340
1,20	0,7308	1,7849	1,0541	2,442	1,90	2,6335	3,1084	0,4749	6,545
1,22	0,7975	1,8244	1,0271	2,287	1,92	2,6787	3,1441	0,4654	6,756
1,24	0,8629	1,8639	1,0010	2,160	1,94	2,7235	3,1796	0,4562	6,970
1,26	0,9275	1,9033	0,9758	2,052	1,96.	2,7679	3,2151	0,4472	7,189
1,28	0,9912	1,9339	0,9427	1,951	1,98	2,8120	3,2505	0,4385	7,413
1,30	1,0539	1,9819	*0,9280	1,880	2,00	2,8558	3,2857	0,4299	7,643
1,32	1,1159	2,0211	0,9052	1,811	2,10	3,0698	3,4601	0,3903	8,865
1,34	1,1769	2,0601	0,8832	1,750	2,20	3,2763	3,6315	0,3552	10,22
1,36	1,2372	2,0991	0,8619	1,697	2,30	3,4760	3,8000	0,3240	11,73
1,38	1,2966	2,1379	0,8413	1,649	2,40	3,6696	3,9658	0,2962	13,39
1,40	1,3554	2,1767	0,8213	1,606	2,50	3,8575	4,1289	0,2713	15,22
1,42	1,4134	2,2153	0,8019	1,567	2,60	4,0401	4,2891	0,2491	17,22
1,44	1,4707	2,2539	0,7832	1,532	2,70	4,2180	4,4671	0,2291	19,50
1,46	•1,5273	2,2923	0,7650	1,501	2,80	4,3914	4,6024	0,2110	21,81
1,48	1,5832	2,3368	0,7474	1,472	2,90	4,5606	4,7553	0,1947	24,42
1,50	1,6385	2,3689	0,7304	1,446	3,00	4,7260	4,9061	0,1799	27,27
1,52	1,6932	2,4070	0,7138	1,422.	3,20	5,0462	5,2005	0,1543	33,70
1,54	1,7472	2,4449	0,6977	1,399	3,4°	5,3436	.5,4866	0,1330	41,25
1,56	1,8007	2,4828	0,6821	1,379	3,6°	5,6497	5,7649	0,115?	50,04
1,58	1,8536	2,5206	0,6670	1,360	9 8°	5,9354	6,0357	0,1003	60,18
1,60	1,9060	2,5582	0,6522	1,342	Joo	6,2121	6,2997	0,0876	71,90
1,62	1,9518	2,5957	0,6379	1,326	420	6,4803	6,5571	0,0768	85,33
1,64	2,0090	2,6331	'0,6241	1,311	44O	6,7409	6,8085	0,0676	100,7
1,66	2,0597	2,6704	0,6107	1,296	46O	7,0375	7,0542	0,0597	118,2
1,68	2,1100	2,7075	0,5975	1,283	480	7,2415	7,2943	0,0528	138,1
1,70	2,1598	2,7446	0,5848	1,271	Jo0-	7,4826	7,5295	0,0469	160,6
(рис. VII.20). Измеряемые напряжения зависят от угла поворота
системы зондов <р и определяются выражениями
U%cn = —Ц- G (X),
BD ло0/10
(VII.44)
245
UCD = —~Г H W,
CD naoho ' ”
BC naffi0 '’
(VII.45)
(VII.46).
где % = 2]/ —___. как и ранее> ff0 = /axxaw,
I — расстояние между зондами, h0 — толщина пластины, верхние
Рис. VII.20. Расположение зондов на образце для измерения
анизотропии электропроводности.
Рис. VI 1.21. Угловые зависимости напряжений:
г~иСО^ 2~vbdM' 3~uAbc^ га : =4®:	= 2 : 0.5! I.
индексы при U соответствуют потенциальным зондам, нижние —
токовым.
Угловые зависимости измеряемых напряжений приведены на
рис. VII.21. Особенностью зависимости U^c (<р) является измене-
ние ее знака, если —> 1 > или — <1<	. Эта особенность
^zz Qzz ®zz ®2Z
наиболее ярко выражена при Z//i0 = 0,689 и может служить надеж-
ным индикатором анизотропии электропроводности, поскольку при
(jAC G Ш
ахх = (5уу == <yzz VpD — 0. По отношениям	, измерен-
^вс
ным вдоль направлений х, у, из табл. VI 1.4 определяются параметры
анизотропии Кхг = oW<4z> Kyz = ^yy/^zz* Приведенные в таблице
значения функции J (X) позволяют по формулам (VII.44), (VII.45),
(VI 1.46) найти значение сг0, которое вместе с параметрамихКхг и Куг
полностью определяет тензор электропроводности.
246
Таблица VII.4
Значения функций J (X), G (X)/J (1)
для определения анизотропии электропроводности
X	z (X)	о (WI&)	X	IW	G(Х)//(Х)
0,00					1,30	0,819013	0,037414
0,05	— 18,613316	-1,000140	1,35	0,860089	' 0,039659
0,10	— 8,612206	-1,001212	1,40	0,899233	0,031867
0,15	— 5,276990	-1,004418	1,45	0,936649	0,025708
0,20	— 3,607735	-1,011348	1,50	0,972489	0,020824
0,25	— 2,604395	-1,024161	1,55	1,006906	0,016919
0,30	— 1,933709	— 1,046016	1,60	1,040014	' 0,013790
0,35	- 1,452784	-1,081632	1,65	1,072927	0,011257
0,40	— 1,090268	—1,138771	1,70	1,102739	0,009227
0,45	— 0,806446	—1,231257	1,75-	1,132531	0,007572
0,50	— 0,577588	— 1,387624	1,80	1,161378	0,006226
0,55	— 0,388519	— 1,676734	1,85	1,189345	0,005129
0,60	— 0,229217	—2,322921	1,90	1,216492	0,004230
0,65	- 0,092672	—4,716376	1,95	1,242869	0,003496
0,70	0,026037	13,830289	2,00	1,268531	0,002889
0,75	0,130981	2,271505	2,05	1,295728	0,002424
0,80	0,223637	1,102053	2,10	1,317844	0,001985
0,85	0,307312	0,665642	2,15	1,341293	0,001670
0,90	0,383173	0,443969	2,20	1,364743	0,001365
0,95	0,452510	0,313076	2,25	1,387100	0,001152
1,00	0,516297	0,228872	2,30	1,409457	0,000947
1,05	0,575366	0,171473	2,35	1,430832	0,000800
1,10	0,630349	0,130854	2,40	1,452207	0,000657
1,15	0,681803	0,101219	2,45	1,472685	0,000537
1,20	0,730158	0,079167	2,50	1,493164	0,000458
§ 7.	Метод определения
термоэлектрической добротности
материалов с анизотропной термоЭДС
Схема образца для измерений [6] с токовыми и измерительными
электродами приведена на рис. VII.22. Образец вырезан под углом
45° к главным кристаллографическим осям х, у. Оси х, у находятся
в плоскости, параллельной граням А и В. Термоэлектрическая доб-
ротность определяется по формуле
(УИЛТ)
где Za—анизотропная термоэлектрическая добротность, Г— абсолютная
температура образца, напряжение на зондах 2, 3 при пропускании
постоянного электрического тока, U „ — напряжение на этих же
зондах при протекании переменного тока. Частота переменного тока
247
выбирается такой, чтобы свести к минимуму влияние продольного
и поперечного эффектов Пельтье. Влиянием тепла Джоуля на рас-
пределение температуры в образце, как и в методе Хармана, прене-
брегается. Для определения U „ через образец пропускается элект-
рический ток в виде прямоугольных импульсов. Их длительность
и скважность ti выбираются такими, чтобы обеспечить стационарный
тепловой режим для поперечного эффекта Пельтье к концу каждого
импульса. Для этого
ff>O,47da/ao,	(VI 1.48)
где а0 — температуропроводность вещества. Длина образца выбира-
Рис. VI 1.22. Образец для измере-
ния термоэлектрической добротно-
сти материалов для -анизотропных
термоэлементов:
/, 4 — токовые электроды* 2, 8 изме-
рительные зонды.
ется такой, чтобы тепло Пельтье на контактах /, 4 несущественно
искажало распределение температур в образце между зондами 2, 3.
Размер I определяется условием
я (М2 J. f ch 1,291^-cos 1,29/f/d	(yn 49)
\Да/ li \ ch 1,29 l/d — cos 1,29 l/d j ’
где axy — термоЭДС в направлении протекания тока, Да = ац — а22—
анизотропия термоЭДС.
Измерения U м производят через интервал времени t2 после
окончания действия импульса тока. При »= 10~8 d?/a0 поперечный
градиент температуры в образце несущественно отличается от ста-
ционарного. Для предотвращения тепловых потерь с поверхности
образца и зондов 2, 3 принимаются те же меры, что и в методе
Хармана. При частотах /<0,53 а/№ описанная методика, как и ме-
тод Хармана, позволяет определить термоэлектрическую добротность
изотропных материалов. Погрешность измерений составляет 2—5%.
§ 8.	Метод определения добротности
материалов с анизотропной
электропроводностью
для короткозамкнутых термоэлементов
Образец для измерений [8] изображен на рис. VII.23. Он ориенти-
рован таким образом, чтобы две главные кристаллографические оси
находились в плоскости образца и составляли угол 45° с его гранями.
Термоэлектрическая добротность ZK3 определяется по формуле
Zk.3T = (пи — 0 ml>	(VII.50)
248
и. I
где n„ «= UtUmu = 7—7-,	— разность потенциалов на зон-
и — / * и и ”
дах 2, 3 при пропускании через образец переменного тока, U± —
разность потенциалов на зондах 5, 5 при пропускании через образец
переменного тока, — разность потенциалов на зондах 5, 5 при
пропускании через образец постоянного тока.
Частота переменного тока выбирается такой, чтобы свести к ми-
нимуму влияние термоЭДС, возникающей за счет эффекта Пельтье
на токовых контактах. Для этого необходимо, чтобы минимальное
Рис. VII.23. Образец для изме
рения термоэлектрической доб
ротности материалов для корот
незамкнутых термоэлементов;
/, 4 — токовые электроды; 2, 3, 5-
измерительные зонды; 6 термопара
расстояние между токовыми и потенциальными электродами хмин
удовлетворяло условию
*мин >
1/ £» [б + In--------------Ч (
'	(°lf + °22) (Xll +X22)J
(VII.51)
где а0 — температуропроводность вещества, <т0 = Y(Тца22, а — тер-
моЭДС, Qi!, 0*22 и Xjf, х22 — компоненты тензоров электро- и тепло-
проводности, f — частота переменного тока.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Айвори Г. И. Способ быстрого измерения коэффициента термоЭДС. —При-
боры для науч, исслед., 1962, № 9, с. 96—98.
2.	Айрапетянц С. В., Бреслер М. С. Измерение анизотропии электропроводности
полупроводников методом четырех зондов. — ФТТ,- 1959,- 1, № 1, с. 152—153.
3.	Айрапетянц С. В. Измерение термоэлектрических свойств полупроводников
по методу Хармана при высоких температурах. —В кн.: Термоэлектричес-
кие свойства полупроводников. М.; Л.: Изд-во АН СССР,- 1963, с. 43—47.
4.	Анатичук Л. /., Луств О. Я- Ан1зотроп1я термоерс CdSb. — УФЖ,- 1966,
11, № 9, с. 971—977.
5.	Анатычук Л. И., Луств О. Д. К теории экспериментального определения
компонент тензора электропроводности анизотропных кристаллов. — Изв.
вузов. Физика, 1967, № 12, с. 42—48.
6.	Анатычук Л И., Искра В. Д., Лусте О. Я- Метод определения термоэффек-
тивности анизотропных материалов. — УФЖ, 1968, 13, № 7, с. 1226—1228.
7.	Анатычук Л. И., Димитращук В. Т., Лусте О. Терещенко Е. Б. Изме-
рения тензора электропроводности монокристаллических пленок. — Изв.
вузов. Физика, 1970, № 2, с. 146—148.
8.	Анатычук Л. И., Димитращук В. T.f Лусте О. Я-# Рйзинъков В. В. Метод
определения термоэффективности короткозамкнутого генератора. —Изв.
вузов Физика, 1971, № 6, с. 149—151.
9.	Анатычук Л. И., Димитращук В. Т., Лусте О. Яч Мельник А. П. Измерение
термоЭДС эпитаксиальных пленок термсзондом. — Изв. вузов. Физика, 1971 f
№ 9, с. 71—75.
10.	Анатычук Л. И., Лусте О. Я« Исследование анизотропии электропровод-
ности плоских образцов круглой формы методом четырех зондов. —УФЖ,-
1967, 12, № 9, с. 1560-1562.
249
II.	Ашавский С. М. О чувствительности четырехзондовых головок для измере-
ния сопротивления полупроводниковых материалов. —Завод, лаб.,- .1966,
32, № 1,- с. 45—47.
12.	Баранский П. И.9 Штенбек М. Методы прецизионного измерения эффекта
Пельтье и термоэлектродвижущих сил. —ЖТФ,- 1956, 26, № 7,- с. 1373—1388.
13.	Бердников Е. П., Рвачев А. Л. Двухзондовый метод измерения удельного
сопротивления полупроводниковых дисков. — ПТЭ, 1969, № 3,- с. 194—195.
14.	Вайнер A. Л.9 Лукишкер Э. М., Сомкин М. Н. Измерение термоэлектриче-
ской эффективности полупроводниковых материалов. — Измер. техника,
1972,- №4, с. 51—52.
15.	Ванбо Пак, Кринский Ю. Пч Беляева И. С. Упрощенная установка для гра-
дуировки термопар из благородных металлов в динамическом режи-
ме.—Измер. техника,- 1962, № 11,- с. 27—30.
16.	Ванбо Пак. Термоэлектрический метод измерения малых перепадов темпера-
туры в электропроводных средах. —Завод, лаб., 1962, 28, № 11, с. 1349—
1350.
17.	Ванбо Пак. Градуировка термопар в динамическом режиме. — Измер. тех-
ника,- 1962, №6, с. 23—28.
18.	Иглицын М. И., Мейер А. А., Карагиоз О. В. и др. Однозондовый метод
измерения удельного сопротивления полупроводников на переменном токе.—
Завод, лаб., 1965, 31, № 9, с. 1092—1094.
19.	Иоффе А. Ф., Иоффе А. В. Простой метод измерения теплопроводности.— ,
ЖТФ, 22, № 12, с. 2005—2013.
20.	Иоффе А. В., Иоффе А. Ф. Измерение теплопроводности полупроводников
вблизи комнатной температуры. — ЖТФ, 1958, 28, № 11, о. 2357—2363.
21.	Ислямов 3. И., Коньков В. Л. Об измерении анизотропии электропровод-
ности полупроводниковых слоев четырехзондовым методом. — Изв. вузов.
Физика, 1971, № 8, с. 143—146.
22.	Каганов М. Д. О применении термоэлектрического метода измерения раз-
ностей температур в электропроводных телах. — ПТЭ, 1958, № 1, о. 145.
23.	Каганов М. А., Лискер И. C.t Мушкин И. Р. К вопросу об измерении термо-
электрических свойств полупроводников. «ФТТ, 1959, 1, № 6, с. 988—990.
24.	Каганов М. А., Лискер И. С., Чудновский Д. Ф. Скоростной метод определе-
ния теплопроводности полупроводниковых материалов. ««ИФЖ, 1961, 4,
№ 3, с. 110—112.
25.	Каганов М. А., Привин М. Р. Термоэлектрические тепловые насосы. « Лл
Энергия, 1970. — 176 с.
26.	Каски Р. Р., Селлмайер Д. Д.г Рубин Л. Г. Метод быстрых измерений ко-
эффициента термоЭДС. — Приборы для науч, исслед., 1969, № 10, с. 10—12.
27.	Кокошкин В. А. Исследование однородности высоколегированных полупро-
водников а помощью нагретого зонда-термопары. —Завод, лаб., 1965, 31,
№ 4, с. 461—463.
28.	Кокошкин В. А. Исследование распределения примесей в полупроводниках
с помощью непрерывно движущегося термозонда. —Завод, лаб., 1968, 34,
№ 11, с. 1341—1343.
29.	Маркман М. Д., Марычева Г. П.9 Симановский Л. М. Установка для экс-
прессного измерения термоэлектрической эффективности материалов в ди-
апазоне температур 150—500® К. — Завод, лаб., 1970,- 36, № 12, с. 1523—1525.
30.	Мейер А. А. О применении дифференцирующей ячейки в однозондовом мето-
де измерения удельного сопротивления. —Завод, лаб., 1966, 32, № 1,
с. 40—45.
31.	Методы измерения характеристик термоэлектрических материалов и преоб-
разователей./А. С. Охотин, А. С. Пушкарский, Р. П. Боровикова, В. А. Си-
монов. — М.: Наука, 1974. —*167 с.
32.	Миямот» Н.^Нисидзава Дж. И. Бесконтактный метод измерения удельного
сопротивления пластинок полупроводниковых материалов. « Приборы для
науч, исслед., 1967, № 3, с. 49—55.
33.	Поляков Н. Н.9 Рубцова Р. А. Измерение проводимости и ЭДС Холла пря-
моугольных полупроводниковых образцов пробником с квадратным распо-
ложением зондов. — Завод, лаб., 1970, 36, № 10, с. 1207—1211.
34.	Сапогин Л. T.t Ивко В. М. Установка для измерения и записи сопротивле-
ния полупроводников в координатах 1g К « f (~г). ФТТ, 1960, 2, № 7,-
с. 1482—1488.
35.	Семенюк К. К. К вопросу определения термоэлектрической эффективности
полупроводников. —Метрология, 1976, № 6, о. 48—51.
36.	Соболев В. С. К методике определения термоэлектрических параметров полу-
проводников. — Изв. АН СССР. Сер. техн, наук., 1963, 2, № 1, в. 78.
37.	Соболев В. С. Бесконтактный метод измерения удельного сопротивления
полупроводников. — Завод, лаб., 1965, 31а К» 2, о. 209—211.
250
38.	Соколов В. И. Бесконтактный метод определения температурной зависимости
электропроводности полупроводников. — ПТЭ, 1965, №5, с. 227—229.
39.	Фиету ль В. Н., Оржевский О. Б. Беззондовый метод измерения удельного
сопротивления сильно легированных полупроводников. — Завод, лаб., 1963,
29, № Н, с. 1327—1329.
40.	Фомин А. А. Измерение удельного сопротивления сплошных тел различной
формы. — ПТЭ, 1969 № 4, с. 187—188.
41.	Фримен Р. X., Басс Дж. Система на переменном токе для измерения термо-
ЭДС. — Приборы для науч, исслед., 1970, № 8, с. 46—49.
42.	Шелых А. И., Чуканов В. 3. Установка для определения термоэлектрических
характеристик полупроводниковых материалов. — Передовой науч.-техн,
и произв. опыт, 1962, тема 32, № 3, с. 1—7.
43.	Шелых А. И., Чуканов В. 3. Установка для экспрессного определения тем-
пературной зависимости термоЭДС полупроводников в широком интервале
температур. — Порошковая металлургия, 1962, № 6, с. 96—99.
44.	Шуман П. А., Шейнер JI. С. Прецизионный четырехзондовый пробник с ма-
лым расстоянием между зондами. — Приборы для науч, исслед., 1964, № 8,
с. 25-28.
Qb.'*Buehler М. G., Pearson G. L. Magnetoconductive correction factors for an iso-
tropic Hall plate with point sources. —Solid-State Electron., 1966, 9, № 5,
p. 395—407.
46.	Edwards W. D. Resistivity measuring circuit using chopped direct current.
— J. Sci. Instrum., 1965, 42, № 6, p. 432—434.
47.	Harman T. C., Cahn J. H., Logan M. J. Measurement of thermal conductivity
by utivization of the Peltier effect. —J. Appl. Phys., 1959, 30, № 9,
p. 1351—1359.
48.	Gee W., Green M. A versatile over-under four-point probe apparatus. — J. Sci.
Instrum., 1971# 4, № 1, p. 70—72.
49.	Lange J. Method for Hall mobility and resistivity measurements on thin layers.
— J. Appl. Phys., 1964, 35, №9, p. 2659—2664.
50.	Schnabel P. Four-point method for measuring the anisotropy of resistivity.
— Philips Res. Repts, 1964, 19, № 1, p. 43—52.
51.	Schnabel P. Vierpunktmethode Zur Messung der elektrischen Widerstandsaniso-
tropie. — Z. angew Phys., 1967, 22, Kq 2, S. 136—140.
52.	Symes G., Goldsmid H. J. Measurement of the thermoelectric figure of merit
using an oscilloscope. — J. Sci. Instrum., 1967, 44, № 7, p. 551.
53.	Uhlir A. The potentials of infinite systems of sources and numerical solutions
of problems in semiconductor engineering. —Bell. Syst. Techn. J., 1955, 34,
№ 1, p. 105—128.
54.	Valdes L. B. Resistivity measurements on germanium for transistors. — Proc.
IRE, 1954, 42, № 2, p. 420—427.
55.	Van-der-Pauw L. J. A method of measuring the resistivity and Hall coefficient
on Lamellae of arbitrary shape. Philips Techn. Rev., 1958, 20, Ka 8, p. 220—
224.
Глава VIII. СВОЙСТВА
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
§ 1. Материалы для термопарных элементов
К настоящему времени исследовано большое количество термоэлек-
трических материалов, перспективных для практического использо-
вания как по термоэлектрической добротности, так и по рабочему
интервалу температур. Термоэлектрические свойства ряда материалов
приведены в табл. VIII. 1. Число материалов, широко применяемых
для практических целей, значительно меньше. В основном это спла-
вы на основе Bi2Te3 и Bi — Sb для интервала низких температур,
PbSb, PbTe, GeTe, AgSbTe2, SnTe —для средних, сплавы Ge —Si-
для интервала высоких температур.
1. Низкотемпературные материалы
Для низкотемпературных материалов рабочий интервал температур
обычно ниже 300° С.
Bi2Te3 [И]. В настоящее время в качестве термоэлектрического
материала используется ограниченно, более широко применяются
тройные сплавы на основе Bi2Te3 [15, 16]. Сведения о Bi2Te3 при-
ведены в табл. VIII.2.
Кристаллическая структура Bi2Te3 — ромбоэдрическая, прост-
ранственная группа D^d Структура Bi2Te3 представляется
набором слоев — квинтетов, перпендикулярных оси симметрии
третьего порядка. В гексагональной ячейке три квинтета, каждый
состоит из пяти простых слоев. Атомы слоя одинаковы и образуют
плоскую гексагональную решетку, слои чередуются в последова-
тельности —Те(1)—Bi—Те(2)—Bi—Те^—.
Химическая связь окончательно не установлена. Предпола-
гается, что связь Те^-Те*1» вандерваальсова (слабая, чем и объяс-
няется легкое скалывание монокристаллов); связь Bi—Te<2), Bi—Те(1^
преимущественно ковалентная.
Электронный либо дырочный тип проводимости Bi2Te3 получают
или введением избыточного теллура^ висмута, или легированием
примесями. В Bi2Te3 Cui, Agl, CuBr — доноры; олово, свинец, сурь-
ма, мышьяк — акцепторы.
Диффузия примесей сильно анизотропна. Скорость диффузии в
направлении плоскости спайности высока и может достигать ско-
рости диффузии в жидкостях. В Bi2Te3 наблюдается перемещение
примесных ионов под действием электрического поля и градиента
252
температуры [38]. Коэффициент распределения примесей приведен
в табл. VIII.3.
Монокристаллы выращиваются методами Бриджмена, Чохраль-
ского и зоцной плавкой. Для Bi2Te3 и сплавов на его основе ха-
рактерна сильная анизотропия роста: скорость роста в направлении,
перпендикулярном плоскостям спайности, значительно меньше, чем
вдоль плоскостей. При выращивании монокристаллов может иметь
место концентрационное переохлаждение, ухудшающее термоэлек-
трическую добротность материалов. Его влияние можно уменьшить,
применяя малые скорости роста Ур и большой градиент температуры
\Т на границе жидкость — твердое вещество. Отношение V^/^p по
оценке Тиллера должно превышать
уП
V
. Р/кр
^/Пл#п(1 — Ко)
~ K0D0
(VIII.1)
где пгл — наклон линии ликвидуса, Nn — концентрация примеси в
основной массе расплава, Ко — коэффициент распределения примеси,
Do — коэффициент диффузии примеси в расплаве. Для Bi2Te3
(ДТ/Ур)кр^ (1,2 4- 1,5) • 104 К«с/см2.
Термоэлектрические материалы и тройные сплавы на основе
Bi2Te3 изготовляются также методами холодного и горячего прессо-
вания, экструзии и непрерывного литья.
Термоэлектрическая добротность нелегированного В12Те3 неве-
лика, при оптимальной концентрации носителей тока — около
(0,84-7) • 1019 см~? — значение Z достигает 2'»10“3 КГ1.
Bi2Te3—Sb2Te3 [11]. Исходные соединения пространственной
группы D^d (КЗт) обладают гексагональными решетками с близкими
по свойствам атомами и образуют непрерывный ряд твердых раст-
воров. В Bi2Te3 атомы- сурьмы замещают атомы висмута, образуя
цепочку
—Те<~ »- Sb-Те<2)- Bi-Те(1)--
Сплавы Bi2Te3 — SbaTes используются при изготовлении р-ветви
термоэлементов. Для достижения оптимальной концентрации носи-
телей тока необходимо понижать концентрацию дырок, образован-
ных избытком сурьмы, введением избыточного теллура. Наибольшие
значения ZT «0,9 достигаются на составах Bi0 5Sb16Te3 с 2,5 ат. %
избыточного теллура. Монокристаллы выращиваются по той же ме-
тодике, что H<Bi2Te3. Термоэлементы изготовляются также прессо-
ванием при температуре более 400° С, давлении не выше 4—10 тс/см?,
времени прессования 5 мин. После прессования производится гомо-
генизация отжигом при температуре 350—400° С в инертной атмо-
сфере в течение 8—10 ч. Термоэлектрические пленки получают ва-
куумным напылением.	4
Для состава Bi0 5Sbj 5Те3 донорами являются галогены, акцеп-
тором — германий.
253
S Свойства термоэлектрических материалов [25]
Т аблица VIII.1
Материал, легирующие до бавки	Тип прово- димос- ти	Темпе- ратура плав- ления, °C	Плот- ность, г/см3	Термоэлектрические свойства*					z-Ю3, К—1
				в интервале температур, °C**	при тем- пературе, °C	а-10», в/к***	* I 1 2 2 « ьОХ	Х-108, ВтХ Хсм—!Х ХК-1	
Bi	n	280	9,8	—	27	80	—	335 (ф)	0,8
Bi (88%) +Sb (12%)	n	310	9,5	—	—193	—	—	—	6,0
Bi (91%) +Sb (9%)	n	310	9,5	20—200	—	—	5000	44	—
Bi (86,7%) + Sb (8,6%)****	P	310	9,5	20—100 20—200	—	132 132	4200 4000	47 54	—
ZnSb, стехиометрический состав, легированный Cu, Sn*****	P	566	6,8	1 1 1	27 90 427	200 200	340 340	27,2 (ф) 20 20	0,68 0,70 0,70
Sb (65%) + Zn (35%), легирован- ный Ag (0,1%), Sn(l%), Bi (6%)	P	546	6,8	20—100 20—200	—	250 270	370 320	16,5 15,2	—
ZnSb (90%) + CdSn (10%), легиро- ванный Sn	P	—	—	—-	—	200	300	14,0	0,85
									
	AgSbTe2,***** стехиометрический состав	P	567	7,1	—	27 427	200	500	7,1 (Ф) 6,3	1,6
	AgTe (42%) + Sb2Te3 (58%)	P	—	7,16	27—473	—	—	—	8,2	1,38
	AgSbTe2 (90%) + GeTe (10%)	P	—	—	277—527	27	—	—	15(Ф)	1,3
	Bi2Te3, стехиометрический состав, легированный Cui, Agi***** X	n	585	7,9	От — 23 до 257	27 20	170	1000	14,2 (ф) 18	2,4—2,6 2,0 1,7
	Bi2Te3, стехиометрический состав, легированный Bi, Pb	P	585	7,9	От —23 до 257	27	—	-—	14,2 (ф)	2,1—2,4 1,5
	Bi2Te3 (для теплового потока 1400—9000 Вт/м?)	—		—	0—50 50—100 100—150 150—200 ’ 200—250 250—300	—	1 1 1 1 1 1	—	10,0 11,0 11,0 10,0 10,0 11,0	2,1 2,0 1,75 1,5 1,3 1,0
	Bi2Te3 (85%) + Bi2Se3 (15%)	n	—	7,5	27—277	277 20	170 170	1000 1000	12,0 21,0 12,0	3,0 2,04 3,0
	Bi2Te3 (75%) + Bi2Se3 (25%), леги- рованный CuBr, Agi	n	620	7,6	От — 27 до 297	57	—	—	—	2,4—2,7 1,8
to От От	Bi2Te3 (80%) + Bi2Se3 (20%), легиро- вании/ CuBr ’	n	620	7,6	25—300	27	125	1800	9.НФ)	1,2
Продолжение табл. VIII.1
•CJ1 о	Материал, легирующие добавки	Тип прово- димос- ти	Темпе- ратура плав- ления, °C	Плот- ность, г/см 8	Термоэлектрические свойства*					Z-103, К-1
					в интервале температур, °C**	при тем- пературе, °с	а-10», в/к***	Ом~‘Х ХСМ~1	X.10»,' ВтХ Хсм-‘Х хк-1	
	Bi2Te3(75%) -f- Bi2Se3 (25%), леги- рованный CuBr, Agl	п	620	—	25—300	27	166 150	990 1660	13,3 (ф) 20,0	1,9
	Bi2Te3Se	п	—	7,5	—	25	—	—	—	2,3
	Bi2Se3, стехиометрический состав	п	712	5,6	—	20	200	500	14,0	0,8
	Bi2Te3 (80%) + Sb2Te3 (20%)	р	—	—	—	20	160	1500	14,0	2,8
	Bi2Te3 (74%) 4- Sb2Te3 (26%), леги- рованный Ag, PbCl2	р	620	6,7	От—27 до 297	27	—	—	9,2£ф)	3—3,4 2,1
	Bi2Te3 (50%) + Sb2Te3 (40%) + + Bi(10%)	р	—	—	—	300	155	1250	15,0	—
	Bi2Te3 (30%) + Sb2Te3 (70%), леги- рован 1ый I (0,1%)	р	—	—	—	20	195	1000	6	1,5
	Bi2Te3 (30%) + Sb2Te3 (70%), леги- рованный Те (2%)	р	—	—	25—300	27 .	210	1020	12,7	2,5
										
<D
9-413
Bi2Te3 (25%) + Sb2Te3 (75%), леги- рованный Se(l,75%)	p	—	—	—	20	196	1300 к	14,9	—
Bi2Te3 (20%) + Sb2Te3 (80%), леги- рованный Те (6%)	p	—	—	25—300	27	174	1540	16,4	2,1
Bi2Te3 (20%) + Sb2Te3 (80%)	p-	—	6.8	27—400	—	—	, —	14,0	2,04
Sb4AuBiTe(7,5)	p	—	7,2	27—297	—	—	—	17,8	1,6
BiSb4Te^7 gj	p	—	6,8	—	25	—	—	—	3,3
Sb2Te3,*****	стехиометрический состав	p	612	6,5	—	27 20	100	3000	13,0 (ф) 32,0	0,81 0,9
Sb	p	630	6,6	—	200	50	—	—	0,1
GeTe, стехиометрический состав, легированный Те (2,5%)	p	725	6,2	27—577	—	—	—	26,8 (ф)	0,9
GeTe (90%) + AgSbTe2 (10%)	p	—	—	250—500	—	—	—	—	1,3
GeTe (95%) + Bi2Te3 (5%)*****	p	712	6,3	327—627	647	—	—	20,0	1,4 1,7
GeTe + Bi	p	—	5,5	27—647	—	—	—	20,0	1,1
Pb (62,8%) + Те (37,2%)	n	—	—	—	20	140	1400	8,5	0,77
Продолжение табл. VIII .1
Материал, легирующие добавки	Тип прово- димос- ти	Темпе- ратура плавле- ния, °C	Плот- ность, г/см3	Термоэлектрические свойства*					Z.I03, к—1
				в интервале температур, °с**	при тем- пературе, °C	а«10в, в/к***	Ом—‘X Хсм—1	х«108 ВтХ- Хсм—<х хк-	
РЬТе, стехиометрический состав, легированный Вг, РЬ*****	п	922	8,16	277—627	20	160	1500	28	1,5 1,3
РЬТе, легированный РЫ2 (0,03%)	п	—	8,15	27—600	—	125	2000	17,0	1,42
РЬТе	п	904	8,15	100—150 150—200 200—250 250—300 300—350 350—400 400—450 450—500	1 1 1 1 1 1 1 1	—	1 1 1 1 1 1 1 1	25,0 21,0 17,0 15,0 13,0 12,0 11,0 12,0	0,8 1,0 1,1 1,3 1,4 1,5 1.5 1,3
РЬТе, стехиометрический состав, легированный Ag, К, Na	Р	922	8,16	277—627	—	—	—	—	1,2
РЬТе, легированный Na(3%)	Р	—	8,15	27—600	—	125	2800	18—20	1,16
РЬТе (75%) + SnTe (25%), легиро- ванный РЬС12 -j- РЬ	п	910	7,9	327—727	527	—	—	—	1,15 1,35
									
PbTe + SnTe	P	—	6,7	27—600	—	—	—	14,5	0,9
PbSe, стехиометрический состав, ле- гированный РЬС12 + РЬ***** .	n	1088	8,1	277—677	20	160	1100	24	1,35 1,05
PbS, стехиометрический состав, ле- гированный С1*****	n	1114	5,9	277—727	20	160	600	22	0,9 0,7
PbS, легированный РЬ	n	—	—	—	—	198	600	20	1,2
РЬ, легированный 1п(1%)	n	—	7,5	27—293	—	—	—	17	0,8
МпТе, легированный Na(l%)	p	1170	—	427—1027	—	—	—	—	0,35
CuTeS	—	1460	—	—	—	—	—	—	1,1
PbTe + PbSe	n	—	—	—	20	160	900	12	1,8
Li (0,04) Mn (0,96) Те (0,95) Se(0,05),	' p	— 	6,06	27—1027	—	—	—	16	0,39
Si (70%) -|- Ge (30%), легированный GaB	p	1330	3,25	677—1077	—	—	—	54 (ф)	0,55
Si (68%) + Ge (32%)	p	—	3,3	27—1000	—	—	—	60	0,24
SiGe	—	—	—	150—200 250—300 300—350 350—400	—	—	—	53 51 50 49	0,30 0,42 0,48 0,52
Продолжение табл. VIIк!
Материал, легирующие добавки	Тип прово- димос- ти	Темпе- ратура плав- ления, °C	Плот- ность, г/см3	Термоэлектрические свойства*					Z-Ю3, к—1
				в интервале температур, °C**	при тем- пературе, °C	а* 10е, в/к***	7 *1 1 S 2 <> ьОХ	х. 103, ВтХ Хсм—‘X ХК-1	
SiGe	—	—	—	400—450 450—500 500—550 550—600	—	—	—	48 47 46 45	0,55 0,58 0,59 0,60
Si (80%) Ge (20%), легированный Р, As	п	1370	2,95	657—1077	—	—	—	67 (ф)	0,7
Si (68%) + Ge (32%), легированный GaB	п	—	3,3	27—1000	—	—	—	60	0,43
Si (70%) +Ge (30%)	п	1225	3,3	—	775	—	—	—	0,7
Сплав MCC-40, легированный CaO(0,5%), В (0,25%)	р	1050	3,6	, ♦	800	—	—	—	0,4
Сплав MCC-50, легированный СаО(1%)	р	2100	2,2	—	1200	—	—	—	0,8—1,0
									
Сплав МСС-40, легированный ThOa(0,5%), As (2%)	n	1030	3,7	—	700	—	—	—	0,8
Сплав МСС-60, легированный СаО(1%), ThSi2, CoSi	n	2500	2,7	—	1200	—	—	—	0.2
InAs, легированный Р (5%)	n	—	—	427—927	—	—	—	—	0,55
InAs0 9Р0>1	n	—	5,58'	27—867	—	—	—	70	’ 0,4
CrSi2	p	1550— 1750	4,4	—	20	120	1100	63	0,25
Fe2Si3	n.	—	—	—	650	—	—	—	0,2
ReSi2	p	1930	—	—	20	150		—	0,63
CeSj 33	n	2000	—	927—1227	—	—	—	10 (Ф)	0,3
CeS*****	n	—	5,27	27—1127	925	—	—	11	0,4 0,19
Продолжение табл. VIII.1
Материал,^ легирующие добавки	Тип прово- димос- ти	Темпе- ратура плав- ления, ®С	Плот- ность, г/см 8	Термоэлектрические свойства*					Z.10\ к—1
				в интервале * температур, °с**	при тем- пературе, °C	а.10« в/к***	ст, Ом—‘X Хсм—1	х.10\ ВтХ хсм- Jx хк-1	
^е2,5®а0, $е4	п	—	—	—	25 1027	35 140	1250 600	24 26	—
^е2<5^г0,5^е4	п ]	— -	—	—	25 1027	40 210	900 250	20 15	—
^а2,76^е4	п	’ —-	—	—	25 1027	40 240	700 130	14 9	—
NbB2	р	3000	—	—	20	12	.16 000	200	0,12
♦	Данные ориентировочные, так как зависят от технологических условий изготовления веществ.
*	* Приведены средние значения термоэлектрических свойств в интервале температур.
*	** ТермоЭДС относительно платины.
ТермоЭДС измерены в паре с BiSb (91%) + Sb (9%).
♦ ♦**» в разных строках данные из различных источников.
ф—фононная составляющая теплопроводности.
Таблица VIII.2
Основные параметры Bi2Te3 [//]
Параметр	Значение параметра
Параметры гексагональной элементар- ной ячейки, А (300 К) Параметры ромбоэдрической элементар- ной ячейки, А (300 К) Плотность, г/см3 (300 К) Температура плавления, °C Коэффициенты линейного расширения, (293 К) Ширина запрещенной зоны ДЕ, эВ* (298 К) Число эллипсоидов валентная зона зона проводимости Масса плотности состояний (150 К) дырок электронов Подвижность дырок электронов, см2/(В*с) (300 К) Теплопроводность вдоль плоскостей скола, Вт/(см»К) (300 К) Анизотропия теплопроводности электропроводности р-типа электропроводности п-типа	а — 4,3835 ± 0,0005 с = 30,487 ± 0,001 aR = 10,477 = 24° 9' 32" 7,8588 585 6 ц = 12,9 • 10~“6 , 6^ = 22,2 . 10~6 0,13 6 6 0,69/Ио О,45то 510 1200 14,5 • 10“3 -2 — 3 -2,7 4-6
Таблица VIII.3
Коэффициенты распределения примесей в Bi2Te3 [1,11]
Си	Ag	Аи	Cd	Hg	Ga	Ge	Sn	Pb	Sb	Se	Cl	Br	I
0,24	0,32	0,15	0,20	0,30	0,56	0,51	0,82	0,81	1,10	1,25	1,20	1,00	0,86
Температурные зависимости параметров твердых растворов
В1о5$Ь15Те3 приведены на рис. VIII.1.
При повышенных температурах ZT сплавов В12Те3 — Sb2Te3 убы-
вает из-за влияния собственной проводимости — малая ширина за-
прещенной зоны не позволяет использовать эти сплавы при темпе-
ратурах выше 500—600 К (рис. VIII.2). Для достижения максималь-
ной термоэлектрической добротности при пониженных температурах
263
х производят оптимальное легирование, при котором более низким тем-
пературам соответствуют меньшие концентрации примеси и меньшая
электропроводность (рис. VIII.3).
Bi2Te3—Bi2Se3 [11]. Кристаллическая структура — ромбоэдри-
ческая, пространственная группа D3rf(7?3m). При замещении теллура
селеном может образоваться цепочка
—Te(I)—Bi—Se—Bi—Те(1)—
ИЛИ
Рис. VIII.1. Температурные зависимости о, а, к и ZT
(n-Bi2Te2i7 Se0>3 и p-Bi05Sb15Te3:
/~хр; 2-<>р, 3-V 4-ап- 5 — ар; 6	7 - Z 8 - ZpT [11].
Рис. VIII.2. Температурные зависимости ZT для сплавов
p-Bi0, Sb15Te3. Концентрация дырок р± < Р2 < Рз < Р4:
1	4 — номера графиков [11].
При выращивании монокристаллов во избежание концентрацион-
ного переохлаждения, приводящего к снижению Z, необходимо при-
менять большие градиенты температуры '(до 250 К/см) и малые ско-
рости роста (0,07 мм/мин).
Критические отношения /V для различных составов имеют
разные значения, К*с/см2:
Bi2Te2,4Se0 q
Bi2Te2 7Se0 3
Bi2Te2 4Se0 6
Bj2Te2jSe0 9
(1 — 10) . 105^
(2-2,5) . IO5
(1 — 1,5) . 10е
(2 —2,8) . 10е
Оптимальная концентрация носителей тока в материале п-типа
достигается легированием галогенами: AgCl, AgBr, Agl, CuBr, Cui,
HgCl2, CdBr2, ZnCl2, Tel4, BiCL, LiBr, Lil.
264
Теплопроводность растворов меньше, чем исходных Bi2Te3 и
Bi2Se3 Прн составе, соответствующем соединению Bi2Te3Se, коэф-
фициент теплопроводности возрастает. Для составов Bi2Se0,3Te2j
анизотропия решеточной теплопроводности хрц/хр± « 2,2 [11].
Максимум ZT мя Bi2Te3_xSex п-типа достигается при
s= 0,12 -г- 0,3. В зависимости от концентрации легирующей примеси
термоЭДС и электропроводность могут
Хр-103
Вт Г
Гсм.К)
См/см
25 -4000
20
-3500
15
-3000
I0L2500
'а/гю6г
в/к
250
-2000
- 200
-1500
150 -1000
100L-500
100 150 200 250 300 ГК <
1 изменяться в широких пре-
делах (a s= 185 -г-275 мкВ/К,
а == 1450 4- 500 м'^-см'1),
при этом ZT сохраняет вы-
сокие .значения.
Температурные зависи-
мости Z материала п-типа
для состава Bi2Te2 ySe0 3
приведены на рис. VIII. 1.
При повышенных темпера-
. турах ZT убывает из-за вли-
яния собственной проводи-
мости. ~
При
температурах
ZT
1,0 г
04
0,8
0,6
300 400	500	600 ГК
Рис. VIII.3. Температурные зависимости ар, ар, сплава Bi2Te3—
Sb2Te3 при различных концентрациях носителей тока. От 1 к 7
концентрация убывает.
Сплошными линиями обозначены значения, соответствующие максимальной доб-
ротности [7].
Рис. VIII.4. Температурные зависимости ZT n-Bi2Te8_a:Sex:
/, 2, 3 — №0,3 (Hi < п2 < Пз); 4 —№0,6; 5—№0,9(11].
выше 450 К большую добротность имеют растворы с большей шири-
ной запрещенной зоны (х=0,6 и х = 0,9) (рис. VIII.4). На
n-Bi2Te2 4Se0 б + 0,75% СпВг методом горячего прессования получены
относительно высокие ZT « 0,8.
Как и для сплавов Bi2Te3 — Sb2Te3, могут быть найдены опти-
мальные значения параметров, соответствующие максимальной доб-
ротности материала при пониженных температурах (рис. VIII 5).
Висмут и сплавы Bi — Sb. Кристаллизуются В ромбоэдрическую
>ешетку, относящуюся к классу днтригонального скаленоэдра
23]. Элементарную ячейку Bi представляют ромбоэдром с ребрами
401], [110], [ОН] длиной а ~ 4,74 А и углом между ними а = 57°14',
265
в ячейке два атома. Элементарная ячейка описывается также ромбо-
эдром с гранями [100], мало отличающимся от куба (а — 6,57А, а =
= 87°32'), в ячейке восемь атомов. Применяется описание и в виде
о	о
гексагональной ячейки с шестью атомами (я = 4,54 А, с =11,82 А)
[37, 43].
Атомы в кристаллической решетке расположены в виде двой-
ных слоев, каждый атом имеет три ближайших соседних атома
в двойном слое и три в смежном двойном слое. Внутри двойного
слоя силы связи ковалентные, между слоями — в основном
вандерваальсовы [20]. Благодаря этому висмут и его сплавы об-
ладают резко выраженной
ХЛ’Ю3 .	анизотропией физических
свойств.
Плотность висмута ‘
9,747 кг/м3, теплоемкость
Ср = 25,5 Дж/(моль . К),
температура плавления
271,3°С [30].
Монокристаллы висмута
легко выращиваются мето-
дами зонной перекристалли-
зации, Бриджмена, Чохраль-
ского и др. Висмут с сурь-
Рис. VIII.5. Температурные
зависимости ал, ал,
сплава Bi2Te3 — Bi2Se3 при
различных концентрациях
носителей тока. От J к 7
концентрация убывает.
Сплошными линиями обозначены
значения, соответствующие мак-
симальной добротности [7].
мой образует непрерывный ряд твердых растворов. Монокрис-
таллы сплавов Bi — Sb выращиваются при учете технологических
особенностей, обусловленных большой разностью между линиями
ликвидуса и солидуса (Д Т » 150°Q, большим коэффициентом сег-
регации К sb =5 — 8 [8] и малым коэффициентом диффузии ком-
понент в расплаве (около 8 . 10® см^/с при 700 К [36]). В этих
условиях расплав у фронта кристаллизации может переходить
в переохлажденное состояние, что приводит к образованию дендри-
тов или мозаичной структуры.
Переохлаждение предотвращается при большом градиенте тем-
пературы и малой скорости роста кристалла [17, 32]. Приемлемыми
являются градиенты около 20 К/см и скорости не более 0,3 мм/ч [22].
Особенностями спектра носителей тока в висмуте [34] яв-
ляются близость валентных зон и зон проводимости, а также
существенное изменение параметров спектра под воздействием дав-
ления, магнитного поля, примесей, при изменении температуры и
состава сплавов Bi — Sb. Возможность управлять параметрами спек-
тра носителей тока позволяет производить оптимизацию свойств
266
Рзз'Ю4 Ом-см
Рис. VIII. 6. Темпера-
турные зависимости удель-
ных . сопротивлений р33
(вдоль тригональной оси)
для сплавов Bi — Sb.
Цифрами у кривых обозна-
чено содержание Sb, ат. %
[44].
50 L-------------------- - .
100	150 200 250
Вт/(см К)
Рис. VIII.7. Температурные
зависимости коэффициентов
термоЭДС а33 (вдоль триго-
нальной оси) для сплавов
Bi-Sb.
--- Обозначения, как на рис. VIII.6
ТК [44].
Рис. VIII.8. Температурные за-
висимости коэффициентов тепло-
проводимости х33 (вдоль триго-
нальной оси) для сплавов Bi—
Sb.
Обозначения, как на рис. VIII.6
[44].
материалов для достижения максимальной термоэлектрической доб-
ротности.
На сплавах Bi— Sb n-типа проводимости при температурах ниже
200 К достигнуты высокие значения термоэлектрической добротнос-
ти. Значения Z максимальны при концентрации сурьмы от 3 до 20%
[14, 21, 44] и ориентации, при которой тепловой поток направлен
267
вдоль тригональной оси. Магнитное поле, направленное перпендику-
лярно тепловому потоку вдоль бинарной оси, приводит к улучше-
нию добротности. На рис. VIII. 6—VIII. 9 приведены значения
термоэлектрических параметров сплавов Bi — Sb в зависимости от сос-
тава при различных температу-
рах, на рис. VIII. 10 — пара-
метры в магнитном поле для од-. 3
ного из наиболее эффективных
составов Bi85Sbx6.
ZMT3-103K’*
Рис. VIII.9. Зависимость термоэлектрической добротности от
состава сливов Bi — Sb:
/—80 К; 2 — 300 К [44].
Рис. VIII. 10. Зависимости удельного сопротивления, коэффи-
циента термоЭДС, коэффициента теплопроводности и 7МТЭ
Bi85Sbi5 от напряженности магнитного поля:
/- 80 К; 2 -100 К; 5-150 К; 4	200 К [44].
На сплавах Bi — Sb с примесью Те достигается дополнительное
увеличение добротности [14]. Так, для состава Bi92,4Sb7^6 + Те0 .ooOf
значение 7мтэТ в интервале от 160 до 200 К при напряженности
магнитного поля 0,3 — 0,9 Т достигает 1,25 [13].
2.	Среднетемпературные материалы
Рабочий интервал температур ориентировочно 300 — 600°С, для п-вет-
ви в большинстве случаев используют соединения PbTe, для р-вет-
ви — GeTe.
PbTe [28, 29, 31]. Кристаллизуется в кубическую решетку, класс
симметрии (/иЗ/п), постоянная решетки а = 6,50 А, элементарная ячей-
ка — гранецентрированный куб, координационное число 6. Вещество
обладает полярной, ионно-ковалентной связью. Плотность 8,2 кг/м3,
температура плавления 917°С.
268
Монокристаллы выращиваются методами Бриджмена, Чохраль-
ского, зонной плавки и из газовой фазы. Исходные материалы пред-
варительно синтезируются в вакууме при температурах 950 — 980°С
на протяжении 0,5— 1,0 ч. При синтезе необходимо принимать меры
для предотвращения взрыва ампул из-за повышенного давления паров
летучих компонент. Отличие состава расплава от состава твердой фазы
приводит к образованию неоднородностей при кристаллизации. Стехио-
метрический состав РЬТе может быть получен при избытке свинца.(око-
ло 0,4%) или путем создания избыточного давления паров летучего ком-
понента.
Для изготовления термоэлементов используют горячее прессо-
вание при 300 — 500°С и давлении 5 — 7 тс/см^ в течение нескольких
минут. Выращивание монокристаллов методом Бриджмена произво-
дится при градиенте не менее 25 К/см и скорости перемещения ам-
пулы 0,1 — 10 см/ч. Исследуются возможности получения монокрис-
таллических пленок. Спектр носителей тока РЬТе многодолинный,
эллипсоиды вытянуты вдоль направлений [111], экстремумы распо-
ложены на краю зоны Бриллюэна. Значения эффективных масс элек-
тронов, отнесенные к 0 К, т*п = 0,24 т0, т * = 0;024 /п0; для
дырок ni*ip = 0,31 /п0, т±р= О,О22то. Ширина запрещенной зоны
0,36 эВ, при изменении температуры изменяется несущественно.
Подвижность электронов и дырок пропорциональна Т~3,5, эффектив-
ная масса т* ~ То,б. При 300 К подвижность электронов
1730 см2/(В с) в образцах с концентрацией носителей тока 1,08 X
X Ю18 см~3, подвижность дырок 839 см2/ (В • с) при концентрации
0,33 • 1018см“3. Теплопроводность в интервале 300—600°С осуществ-
ляется фононами, электронами и биполярной диффузией.
Пределы растворимости компонент в РЬТе 3,3 • 1018 см~3 свин-
ца и 7,6 • 1014 см~3 теллура при 775°С. Донорами в РЬТе являются
галогены: хлор, бром, иод—или примеси свинца, платины, марган-
ца, никеля, галлия, ниобия, германия, тантала, урана, сурьмы, ме-
ди, цинка, алюминия и др. Донорными являются также замещаю-
щие свинец примеси висмута, сурьмы, акцепторными — натрий, ли-
тий, титан, а также серебро, которое вводится в виде соединения
Ag2Te. Легирование до оптимальных концентраций приводит к отно-
сительно высоким значениям Z (рис. VIII. 11).
Увеличение термоэлектрической добротности может быть полу-,
чено в твердых растворах РЬТе — PbSe, РЬТе — SnTe. Для сплавов
с 25 мол.% SnTe фононная теплопроводность минимальна, доб-
ротность возрастает при легировании РЬС12 + РЬ (рис. VIII. 12).
Фирмой RCA (США) [40] запатентован состав твердого раствора
РЬТе от 95 до 70 мол.% и PbSn от 5 до 30 мол.%. Легирование
производится смесью свинца и бромида свинца от 0,2 до 2,4%. В
интервале 350 — 750°С Z > 1 X Ю^К”1. Введение SnTe улучшает
прочность материала. Перспективны тройные сплавы, например
(PbTe)0,8 (PbSe)o4 (PbS)o4.
Теллурид свинца при повышенных температурах интенсивно
сублимирует. Так, при изменении температуры от 780 до 960 К
упругость его паров возрастает от 9,8 10~5 до 4,8 • 10~2 ммрт. ст.
В газовой фазе могут находиться молекулы как РЬТе, так и Те [5].
При использовании материала в термоэлементах принимаются меры
для уменьшения влияния испарения.
269
PbSe [28, 29, 31]. Кристаллизуется в гранецентрированную
кубическую решетку, а = 6,14 А, координационное число 6. Хими-
ческая связь ионно-ковалёнтная, плотность вещества 8,3 кг/м3, тем-
пература плавления 1065°С. Технология сплавления и выращивания
монокристаллов подобна технологии получения PbTe.
Рис. VIII.И. Термоэлектрические свойства л-PbTe, легированно-
го РЫ:
1 — 0,01 ♦ 2 — 0,03; 3	0,055? 4 « ОД мол. %;' а — термоЭДС; б — электрическое
сопротивление; в — теплопроводность; е — термоэлектрическая добротность [31].
Рис. VIII. 12. Температурные зависимости коэффициента термоЭДС
(а), удельного сопротивления (б) и термоэлектрической добротности
(в) сплава 75 мол. % PbTe —25 мол. % SnTe [31].
Как и у PbTe, спектр носителей тока многодолинный, эффек-
тивные массы электронов, отнесенные к 0К, /и* = О,О7л2п, лг* =
*	* Пл .	±п
= О,О4лго; для дырок т^р = 0,068 лг0, лг±р=0,034 т0. Ширина
запрещенной зоны Д£ = 0,29 эВ, температурный коэффициент поло-
жителен и равен 10~< эВ/K; подвижность электронов при комнат-
ной температуре 1000 см?/(В • с), дырок —900 см2/(В • с). Темпера-
Рис. VIII. 13*. Термоэлектри-
ческая добротность PbSe в
зависимости от температуры
при различных концентра-
циях носителей тока:
1 — п = 5 . 1013 см—3; 2, 3, 4(
5 — промежуточные концентра-
ции; 6 — п=*> 8 • 101* см—8 [31].
турные зависимости подвижности ип ~ Т~М, ир ~ Т""?. Эффектив-
ная масса электронов 0,3 — 0,33 /л0, температурная зависимость
эффективной массы т* ~
Материалы л- и p-типа проводимости могут быть получены при
введении соответственно избытка свинца и селена.
270
Растворимость Pb и Se в PbSe максимальна при повышенных
температурах и составляет 1,4- Ю19 с\Г3 избыточных атомов РЬ и
Se при температуре около- 600°С. Для достижения оптимальной кон-
центрации производят легирование РЬС12 + РЬ. Акцепторными при-
месями являются Мышьяк, теллур. Значение термоэлектрической
добротности в зависимости от легирования приведено на рис. VIII. 13.
Рис. VIII.14. Зависимости термоэлектрической добротности (/),
коэффициентов теплопроводности (2), электропроводности (3) и
термоЭДС (4) от температуры GeTe [31].
Рис. VIII. 15. Температурные зависимости коэффициента термо-
ЭДС (а), удельного сопротивления (б), коэффициента тепло-
проводности (в) и термоэлектрической добротности (а) сплавов
95 мол. %.GeTe — 5 мол. % Bi2Te3 [31].
GeTe [28, 31]. Обладает двумя модификациями кристалличес-
кой структуры: низкотемпературной ромбоэдрической с параметра-
ми а — 5,986 А, а = 88,35° и высокотемпературной кубической с пара-
метром а = 5,992 А при 390°С со стороны теллура и а = 6,020 А для
стехиометрического состава. Пред-
полагается наличие еще одной, ром-
бической, модификации с параметра-
ми а = 11,76 А, b =4,15 А, с =4,36А.
Рис. VIII. 16. Температурные зави-
симости коэффициента термоЭДС
(а), удельного сопротивления (б)
и термоэлектрической добротности
(в) сплавов 90 мол. % GeTe—
10 мол. % AgSbTe2 [31].
Спектр носителей тока однозначно не определен. Для объясне-
ния явлений переноса привлечены модели с двумя сортами дырок
и различными эффективными массами; свойства GeTe интерпретируют-
ся также наличием полиморфного превращения.
271
Ширина запрещенной зоны 0,14 эВ, концентрация дырок дости-
гает 9 • 1020 см“3, подвижность при 300 К и = 50 см?/(В с). Зави-
симости термоэлектрических свойств от температуры приведены на
рис. VIII. 14. Максимальные значения Z достигают 1,2 10“3 К”1.
На основе теллурида германия с другими соединениями образу-
ются высокоэффективные термоэлектрические материалы: в сплавах
GeTe—5% Bi2Te3 достигнуто значение Z — 1,7 10~3 (рис. VIII. 15),
в сплавах 90 мол. % GeTe—10 мол. % AgSbTe Z^l,5 10~3 (рис.
VIII. 16). Наиболее эффективными являются материалы р-типа:
GeTeBi0>5 Cuo,o9 и GeTeBi0,02Cu0 »оз^Ьо ,о29.
Рис. VIII. 17. Температурные зависимости коэффициента термоЭДС
(а), удельного сопротивления (б) и термоэлектрической добротности
(в) AgSbTea [31].
Рис. VIII. 18. Температурные зависимости коэффициентов электро-
проводности (/), теплопроводности (2), термоЭДС (3) и термоэлектри-
ческой добротности (4) SnTe; концентрация дырок 2,4 • 10?° см-3,
и*= 156 см2/(В . с) [31 j.
AgSbTe2 [28, 31]. Кристаллизуется в кубическую гранецентри-
рованную решетку с параметром а = 6,07 А.
Температура плавления 567° С, ширина запрещенной зоны Д£ =
=0,3 эВ, концентрация дырок при комнатной температуре около
5 • 1018 см~3, подвижность ~ 140 см2/(В • с), эффективная масса
ориентировочно (0,36 -н 0,8) т0. Температурные зависимости термо-
ЭДС, электрического сопротивления и термоэлектрической добротно-
сти приведены на рис. VIII. 17. Сплав обладает относительно малым
коэффициентом теплопроводности решетки: 0,63 • 10~~? Вт/(см • К);
предполагается, что AgSbTe2 является твердым раствором двух
соединений: AgTe и Sb2Te8.
SnTe [28, 31]. Температура плавления 780° С. Предполагается
наличие валентной зоны с подзонами легких (т* = 0,4 т0, и = 3500
см?/ (В • с)) и тяжелых (tn* = 3m0, u= 50 см2/.(В • с)) дырок. Энер-
гетический зазор между подзонами при 100 К равен 0,03 эВ. Кон-
центрация дырок от Ю20 до 10?1 см"“3. Термоэлектрические свойст-
ва SnTe в зависимости от температуры приведены на рис. VIII. 18.
272
3.	Высокотемпературные материалы [28, 31]
Рабочие температуры обычно выше 600°С. Разработка высокотемпе-
ратурных материалов по сравнению со средне- и низкотемпературны-
ми встречает дополнительные трудности: кроме температурной стой-
кости материалы при большой ширине запрещенной зоны должны
иметь высокую концентрацию носителей тока, что не всегда дости-
Рис. VII 1.19. Температурные зависимости коэффициентов термоЭДС
(а), удельного сопротивления (б), коэффициента теплопроводности (в)
и термоэлектрической добротности (г) сплава Si07 —Ge03:
1 - n-тип проводимости; 2 — p-тип проводимости [31].
Рис. VIII.20. Температурные зависимости коэффициента термоЭДС
(а), удельного сопротивления (б), коэффициента теплопроводности (в)
и термоэлектрической добротности (а) сплава Si0 85 — Go.l 5:
1 —’ n-тип проводимости; 2 — p-тип проводимости [31].
гается введением легирующих добавок или отклонением от стехио-
метрического состава. Кроме того, легированием не всегда удает-
ся достигнуть высоких значений добротности в большом интер-
вале температур. По этим и ряду других причин, несмотря на много-
численные исследования, широкое применение нашли только сплавы
германия с кремнием.
Ge—Si. Сплавы образуют непрерывный ряд твердых растворов.
Кристаллическая решетка кубическая, постоянная решетки линейно
изменяется при изменении состава от 5,430 Д для чистого кремния до
5,657 Д для чистого германия, температура плавления изменяется от
1420° С для кремния до 957° С для германия, ширина запрещенной
зоны изменяется от 1,2 до 0,72 эВ.
273
Основным методом . получения материала является зонная
плавка; слитки длиной около 25 см однородны по составу (~0,1
ат. %/см)ипо концентрации примеси (^2 ат.%/ см). Теплопровод-
ность сплавов минимальна при составах от 50 до 70 ат.% Si, отноше-
ние подвижности носителей тока к фононной теплопроводности мак-
симально при 10—15 ат.% Si и 79 — 90 ат.% Si. Эги составы ис-
пользуются для практических целей. Для получения оптимальных
концентраций носителей тока легирование производится бором, алю-
минием, галлием, индием для p-типа проводимости и фосфором,
мышьяком, сурьмой, висмутом, галлием, бором для n-типа проводи-
мости. Оптимальные концентрации носителей тока для p-типа ори-
ентировочно 1,8 1020 см~3, для n-типа Г,5 1020 см~3. Для сплавов
Ge — Si характерно рассеяние фононов на ионах примеси. Электро-
ны также рассеиваются на ионах примеси.
Температурные зависимости термоэлектрических параметров
Для двух типичных составов приведены на рис. VIII. 19 и VIII.20-
Материал p-типа проводимости легирован бором, п-типа — фосфо-
ром. При легировании фосфором наблюдается некоторая нестабиль-
ность свойств, обусловленная зависимостью растворения фосфора
от температуры. Материал стабилизируется после 1000 ч работы.
4.	Металлические сплавы
По сравнению, с полупроводниковыми термоэлектрическими мате-
риалами металлические сплавы имеют существенно меньшую термо-
электрическую добротность, однако4 они обладают и преимущества-
Рис. VIII.21. Температурные зависимости удельного сопротив-
ления (1) и термоЭДС (2) копеля [33J.
Рис. VIII.22. Температурные зависимости удельного сопротив-
ления (/) и термоЭДС (2) хромеля [33].
ми по механической прочности, по технологичности при изготов-
лении спаев и термобатарей, по удельной мощности, определяемой
значением ос2о, по возможностям использования в широком интер-
вале температур. Температурные зависимости удельного сопротив-
ления и термоЭДС для сплавов копель (МНМц43-0,5), хромель
(НХ9,5), алюмель (НМцАК2-2-1), константан (МНМц40-1,5) пред-
ставлены на рис. VIII.21—VIII.24. Свойства металлических термо-
274
Рис. VIII.23. Температурные зависимости удельного сопротив-
ления (/) и термоЭДС (2) алюмеля [33].
Рис. VIII.24. Температурные зависимости удельного сопрбтив-,
ления (/) и термоЭДС (2) константана [33].
электрических сплавов приведены в табл. VIII.4. Теплопроводность
металлов и металлических сплавов описывается законом Видема-
на — Франца
% = 2,45 • 10'8оТ.	(VIII.2)
Перспективны сплавы палладий — серебро с термоЭДС 70 мкВ/К
и сплав 88% N1 + 12% Мо (ат. %).
Таблица VIII.4
Свойства металлических термоэлектрических материалов [30, 33]
Параметр	Константан (МНМц40-1г5) i		Копель (МНМц43-0,5)	Хромель (НХ9,5)	Алюмель (НМцАК2-24)
Температура плав- ления, °C Плотность, г/см3 Коэффициент линей- ного расширения, К"1 Т еплопроводность, Вт/(м«К), при 0°С Температурный коэффициент элек- трического сопро- тивления, К~х, при 20 — 100°чС	1260 8,9 14,4.10—6 21 2,0.10-§	1255 8,9 14.10-6 24 —0,00014	1435 8,7 12,8*10“6 16 0,00048	1430—1450 8,5 13,7* 10~6 32,7 0,00270— 0,00044
275
§ 2. Материалы для термоэлементов
Нернста — Эттингсгаузена
В табл. VIII.5 [35] приведены параметры материалов с относитель-
но большими значениями коэффициента Нернста — Эттингсгаузена
Таблица VIII.5
Некоторые свойства материалов
для термоэлементов Нернста—Эттингсгаузена [35]
Материал	Ширина запрещенной зоны, эВ	Подвижность электронов, см^ДВ-с)	Отношение подвижностей, unJup	ZH. к-*
Si	1,15	1200	2,8	1,56. Ю-ч
Ge	0,73	3600	2,0	8,4-10~9
Те	0,32	1170	2,1	4-10—6
PbSe	0,22	900	1,6	2-10~8
PbTe	0,29	1700	1,4	2-10~8
Bi2Te3	0,15	800	1,2	6,7.10"6
In As	0,40	23 000	70	4,1 • 10~6
InSb	0,16	65 000	80	1,6.10~4
и добротности ZH (см. формулу (III. 107)). Результаты приведены
для средней температуры
400 К при магнитной индукции 1,0 Т.
Зависимости добротности от темпера-
туры приведены на рис. VIII.25. Из
рисунка и таблицы видно, что наи-
более эффективен материал InSb.
КПД изготовленного из него гене-
ратора может достигать 2—2,5% при
индукции 1,0 Т, плотность энергии —
до 20—22 Вт/см2. Оценки и экспери-
мент показывают, что термогенера-
торы, основанные на термоэлементах
Рис. VII 1.25. Зависимости термомаг-
нитной добротности от температуры
для различных материалов:
1— In Sb; 2 — In As; 3 — Bi2Te3; 4 — Те;
5 — PbTe; 6 — Ge [35].
Нернста — Эттингсгаузена (термомагнитные генераторы), не могут
конкурировать по КПД с термоэлектрическим^, однако в специ-
альных случаях, когда требуются повышенные напряжения или
большое быстродействие, применение термомагнитных генераторов
из InSb с относительно большим коэффициентом теплопроводности
является перспективным.
276
§ 3. Материалы для холодильников
Эттингсгаузена
В сплавах Bi—Sb наибольшие значения ZHT (см. (IV.78)) достиг-
нуты при температурах около 140 К (рис. VIII.26) и ориентации
кристалла, при которой электриче-
ский ток направлен параллельно три-
гональной оси, магнитное поле —
вдоль бинарной оси, градиент темпе-
ратуры— вдоль биссекторной. Спла-
вы Bi—Sb обладают преимуществен-
ным направлением роста в направле-
Рис. VIII.26. Зависимость безразмер-
ной адиабатической термомагнитной
добротности от температуры для раз-
личных составов Bi— Sb. Содержание
Sb, ат. %:
/ — 3; 2 — 5; 5— 1,6; 4—0; 5 — 7; В =
= 1 Т [24].
нии [ПО], поэтому для изготовления холодильников Эттингсгау-
зена необходимо выращивать монокристаллы относительно боль-
ших размеров (диаметром 40 мм й более) методом вытягивания из
расплава [24 24, 26]. Максимальные значения ZHT достигнуты при
концентрации Sb около 3 ат.% (рис. VIII.27). Зависимости термо-
магнитной добротности от напряженности магнитного поля при-
ведены на рис. VIII.28.
Рис. VIII.27. Зависимость безразмерной адиабатической термомаг-
нитной добротности монокристаллов Bi — Sb от состава при темпе-
ратурах: •
/ — 140 К; 2 - 77 К; 3 - 63 К [26].
Рис. VIII.28. Зависимость термомагнитной добротности от напряжен-
ности магнитного поля для состава Bi97Sb3 при различных темпера-
турах:
/—77,5 К; 2— 174 К; 3 — 137 К; 4 — 115 К [26].
277
В сплавах Bi—As (2,2 ат.% As) получены аномально боль-
шие значения ~ 100 • 10”3 К-1 при Т — 4,2 К и В= 0,06 Т.
Ориентация кристалла соответствует протеканию электриче-
ского тока вдоль биссекторной оси, магнитного поля — вдоль би-
нарной [39].
В пиролитическом графите при 4,2 К = 3,1 • Ю^К"1 [26]
(см. также гл. IV, § 2, п. 5).
§ 4. Материалы для термоэлементов
с анизотропной термоЭДС
До настоящего времени обнаружено немного веществ, обладающих
существенной анизотропией термоЭДС. Для возникновения значи-
тельной анизотропии термоЭДС необходимы вещества, обладающие
рядом особенностей в энергетическом спектре носителей тока и сим-
метрии кристаллов (см. гл. I), редко встречающиеся в природе.
Анизотропной термоЭДС обладают монокристаллы некоторых полу-
металлов и полупроводников; в табл. VIII.6 приведены значения
максимальной разности компонент тензора термоЭДС, электропро-
водности, теплопроводности и параметра термоэлектрической доброт-
ности Za (см. гл. III, § 4). Из таблицы следует, что практический
интерес с точки зрения выбора наибольших значений Zg и анизо-
Т аб л ица VIII.6
Термоэлектрические свойства материалов с анизотропной термоЭДС
Материал	Темпе- ратура, К	Анизо- тропия тер- моЭДС, мкВ/K	Электро- провод- ность, Ом~1«см—1	Теплопро- водность,- Вт/(см‘К)	Доброт- ' ность, к-1	Лите- ратур- ный источ- ник
Bi	350	54	9,9.103	8.10~?	0,9-10-*	[42]
Sb	300	2,6	2,9-104	0,18	2,7-10~?	[42]
Cd	300	3,2	1,4*105	0,92	3,8-10—7	]42]
Zn	300	1,74	1,8*105	1,13	1,2-10-?	[42]
CdSb	400	280	4-10	1,2.10~?	6,1-10-»	[3]
Bi8gSbi2	350	25	15.104	3,3-10-?			[25]
CrSi2	800	80	—	—			[9]
CrSi2	300	26	4.103	0,11	6,2-10-»	[9]
MnSii-	300	55	490	3,8-10~2	9,6-10-»	[9]
Те	300	130	4,0	2,9-10-?	9,3-10-’	[19]
Bi2Te3	400	40	—	—— •			[12]
ZnSb	400	140	8	—			[27]
2n0tlCd0,9Sb	400	190	5	1,1.10“-?	4.1-10-»	[6]
2n0,15Cd0<85Sb	400	145	5,5	0,9.10"2	1,2- 10~в	[6]
2n0,2Cd0t8Sb	400	135	7	1,0-10"?	1,3-10-»	[6]
278
тропии термоЭДС представляют висмут и CdSb. Значения анизотро-
пии термоЭДС для этих материалов приведены на рис. VIII.29
и VIII.30.
Сведения о свойствах висмута приведены в § 1 настоящей
главы. В работе [10] установлено, что введением примесей представ
Рис. VIII.29. Температурные зависимости компонент тензора термо-
ЭДС Bi а у и 0Сд_:
/ — тепловой поток а у вдоль биссекторной оси; 2 тепловой поток а± вдоль
тригональной оси [41].
Рис. VIII.30. Температурные зависимости компонент тензора термо-
ЭДС CdSb:
1 — (Хзз — а22; 2 аи; 3 — а83; 4	[3].
Антимонид кадмия кристаллизуется в орторомбическую струк-
туру (пространственная группа с 16 атомами в элементарной
ячейке. Параметры ячейки: а = 6,471 А, b = 8,253 А, с = 8,526 А
[18].
Химическая связь с CdSb преимущественно ковалентная. Тем-
пература плавления 456° С, плотность 6,78—6,92 г/см8, теплоем-
кость при 80 К 19,5 Дж/(г « атом • К), теплопроводность при 300 К
(1,1 —1,2) • 10-2 Вт/(см ; К) [18].
Монокристаллы получены методами Чохральского, зонной пе-
рекристаллизации и Бриджмена. Наличие метастабильной фазы
Cd3Sb2 в диаграмме состояния Cd—Sb обусловливает ряд технологи-
ческих особенностей при синтезе и выращивании: длительный отжиг
при 200—250° С после синтеза, повторное плавление при температурах
не выше 10—15° С по сравнениюх температурой плавления, недопус-
тимость перегрева расплава при выращивании монокристаллов [4].
279
ЛИТЕРАТУРА
1.	Абдукаримов Э. Т., Орлов А. Г., Романенко В. Н. Коэффициенты распределе-
ния примесей в теллуриде висмута.—Изв. АН СССР. Неорган. материалы,
1970, 6, № 12, с. 2188—2189.
2.	Абрикосов Н. X., Земсков В. С., Рождественская В. В. Выращивание моно-
кристаллов твердых растворов висмута с сурьмой методом вытягивания.—
Физика и химия обраб. материалов, 1969, 5, с. 47—51.
3.	Анатычук Л. I., Лусте О. fl. Ашзотрошя термоерс CdSb.— УФЖ, 1966, 11,
№ 9, с. 971—977.
4.	Анатычук Л. И., Гнатюк А. М. Электрические и термографические исследо-
вания CdSb..— Изв. АН СССР. Неорган. материалы 1972, 8, № 1, с. 44—48.
5.	Арабей Б. Г., Бронфик М. Б., Курганов Г. В., Тимофеев В. А. Изучение ис-
парения теллурида свинца в среде инертных газов.— Гелиотехника, 1966,
№ 1, с. 25—29.
6.	Буда И.С., Пилат И. М., Солийчук К. Д. Анизотропия термоэдс монокрис-
таллов твердых растворов Zn%Cd|__x Sb.—ФТП, 1973, 7, № 10, с. 1925—1928.
7.	Вайнер А. Л. Каскадные термоэлектрические источники холода.—М.; Сов.
радио, 1976.—137 с.
8.	Вол А. Е. Строение и свойства двойных металлических систем, М.: Физмат-
гиз, 1962. Т. 2. 982 с.
9.	Воронов Б. К., Дудкин Л. Д., Трусова Н. Н. Анизотропия термоэлектриче-
ских свойств в монокристаллах дисилицида хрома и высшего силицида мар-
ганца.—Кристаллография, 1967, 12, № 3, с. 519—521.
10.	Гицу Д. В., Иванов Г. А., Попов А. М. О термоэлектродвижущей силе в ви-
смуте и его сплавах с теллуром.—ФТТ, 1962, 4, Na 1, с. 22—28.
11.	Гольцман Б. М., Кудинов В. А., Смирнов И. А., Полупроводниковые термо-
электрические материалы на основе Bi2Te8.— М: Наука, 1972.—320 с.
12.	Митинская М. К., Кайданов В. И., Кондратьев В. П. Анизотропия термо-
ЭДС в монокристаллах теллурида висмута.— ФТП, 1976, 10, № 11, с. 2186—
2187.
13.	Земсков В. С., Гусаков В. П., Рослое С. А. и др. Магнитотермоэлектрическая
добротность твердых*растворов висмут—сурьма, легированных теллуром.—
Докл. АН СССР, 1975, 222, № 2, с. 316—318.
14.	Иванов Г. А., Куликов В. А., Налетов В. Л. и др. Термоэлектрическая доб-
ротность чистых и легированных сплавов висмут — сурьма в магнитном по-
ле.—ФТП, 1972, 6, № 7, с. 1296—1299.
15.	Иорданишвили Е. К. Термоэлектрические источники питания.— М.: Сов. ра-
дио, 1968.—183 с.
16.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы.— М.; Л.: Изд-во АН СССР,
I960.—187 с.
17.	Кузнецов В. Д. Кристаллы и кристаллизация.— М.: Гостехиздат, 1953.—412 с.
18.	Материалы, используемые в полупроводниковых приборах/ Под ред. К. Хо-
гарта.—М.: Мир, 1968.—348 с.
19.	Мовчан Е. О. Телур.— К.: Техн1ка, 1967.—85 с.
20.	Музер Е., Пирсон В. Химическая связь в полупроводниках.—В кн.: Полу-
проводниковые вещества, М.: Изд-во иностр, лит., 1960, с. 134—158.
21.	Мунтян С. П., Белов С. В. Влияние температуры и магнитного поля на тер-
моэлектрическую добротность сплавов Bi —Sb.— Изв. АН МССР. Сер. физ.-
техн. и мат. наук, 1973, № 1, с. 85—87.
22.	Налетов В. Л.,' Николаев В. И. Выращивание монокристаллов сплавов Bi —
Sb и контроль их состава.—В кн.: Низкотемпературные термоэлектрические
материалы. Кишинев, 1970, с. 15—17.
23.	Ормонт Б. Ф. Структура неорганических веществ.— М.; Л.: Гостехиздат,
1950.-968 с.
24.	Осипов Э. В., Варич Н. И., Микитей П. П. Исследование эффекта Эттингс-
гаузена в монокристаллах Bii__x Sbx.— ФТП, 1971, 5, № И, с. 2202—2204.
25.	Осипов Э. В., Рождественская В. В., Земсков В. С. и др. Гальванотермомаг-
нитные свойства монокристаллов твердых растворов системы Bi — Sb.— Докл.
АН СССР, 1971, 201, № 6 с. 1338—1341.
26.	Осипов Э. В. Твердотельная криогеника.—Киев: Наук, думка, 1977.-234 с.
27.	Пилат И. M.t Осипов Э. В. Анизотропия термоЭДС монокристаллов ZnSb.—
, ФТП, 1968, 2, № 6, с. 880—881.	'
28.	Поздняков Б. С., Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика.—М.: Ато-
миздат, 1974.-264 с.
29.	Равич Ю. И., Ефимова Б. А., Смирнов И. А. Методы исследования полупро-
водников в применении к халькогенидам свинца PbTe, PbSe, PbS.—М.: Нау-
ка, 1968.—383 с.
30.	Таблицы физических величин.— М.: Атомиздат, 1976.-1008 с.
280
31.	Термоэлектрические генераторы. / А. С. Охотин,- А. А. Ефремов,- В. С. Охотин,
А. С. Пушкарский.—М.: Атомиздат# 1976..—320 с.
32.	Херл Д. Т. Механизм роста металлических монокристаллов из расплава.—
В кн.: Процессы роста и выращивания монокристаллов. М., 1963, с.303—410.
33.	Черкасский А. X. Термоэлектрический насос.—М.: Машиностроение, 1971-—-
216 с.
34.	Эдельман В. C.f Хайкин М. С. Исследование поверхности Ферми висмута
методом циклотронного резонанса.— ЖЭТФ, 1965, 49, № 1, с. 107—116.
35.	An grist S. W. A Nernst effect power generator.— Pap. ASME, 1962, N HT-36,
p. 8.
36.	Brown D. M., Heumann F. K. Growth of bismuth-antimony single-crystal al-
loys.—J. Appl. Phys., 1964, 35, № 6, p. 1947—1951.
37.	Cracknell A. P. The Fermi surfaces of metals. A discription of the Fermi sur-
faces of the metallic elements.— London: Taylor. 1971, 283 p.
38.	Dibbs H. P., Tremblay J. R. Thermal diffusion of silver in single-crystal
bismuth-telluride.— J. Appl. Phys., 1968, 39, № 6, p. 2976—2977.
39.	Ertl M. E., Jacobson D. Johnson H. L. Giant thermomagnetic figures of
merit at helium temperatures.— J. Phys. D: Appl. Phys., 1970, 3, № 4, p. 617—
619.
40.	Hocklings E. F.t Mulary W. L. Пат. 3045031 (США). Lead telluride-tintelluride
thermoelectric composition and devices.—Опубл. 22.01.63.
41.	Issi J. P. Transport properties of semimetals.— In: Proc, Int. Conf. Phys. Se-
mimetals and Narrow Jap. Semicond. Nice-Cardiff, 1973, p. 26—28.
42.	Lukosz W. Geschlossene elektrische Strome in thermoelektrischanisotropen Kris-
tallen.—Z. Naturforschh. A, 1964, 19, № 13, S. 1599—1610.
43.	Wilson A. H. The theory of metals.—Cambridge: Univ press., 1953, 346 p.
44.	Yim W. M., Amith A. Bi — Sb alloys for magneto-thermoelectric and thermo-
magnetic cooling.-—Solid-State Electron.,- 1972,- 15, № 10, p. 1141—1165.

ТЕРМО-
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРИБОРЫ
И УСТРОЙСТВА

Глава IX. ТЕРМОПАРЫ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
В устройствах для измерения температуры (именуются термоэлек-
трическими преобразователями, термоэлектрическими термометрами,"
термопарами) используют следующие законы для термоэлектрической
цепи: у термопар, ветви которых изготовлены из однородного мате-
риала, развиваемая ЭДС зависит только от температур спаев и не
зависит от распределения температуры в ветвях (закон Магнуса);
ЭДС, развиваемая термопарами при температурах спаев То и Тп,
равна сумме ЭДС, возникающих при создании на спаях последова-
тельно промежуточных температур в интервале То, Тп:
Е (Т0,Тп) = Et (То>7\) + Е2 (Т±,Т2) + Es (Т8,Т8) + ... + Еп (Тп-ьТп),
(IX.1)
где в скобках приведены температуры на спаях, при которых воз-
Рис. IX. 1. Схемы термопар:
1,2 — ветви; То — температура свободных концов;
Тх — измеряемая температура; Т — температура
концов дифференциальной термопары; Tt — темпе-
ратура термостатированного спая.
никают соответствующие ЭДС (закон промежуточных температур);
алгебраическая сумма ЭДС в цепи, состоящей из любого числа про-
водников с разными коэффициентами термоЭДС, находящихся при
одной температуре, равна нулю (закон промежуточных материалов)
[6, 22, 31].
Для точных измерений температуры применяются дифференци-
альные термопары, у которых один спай термостатирован при извест-
ной температуре, вторым измеряется неизвестная температура (рис.
IX.1). В промышленности, как правило, измерения температуры
285
производятся относительно температуры свободных концов (см. рис.
IX. 1) с компенсацией влияния небольших изменений температуры
свободных концов на результат измерения. Типичная конструкция
промышленной термопары приведена на рис. IX.2.
По интервалу измеряемых температур термопары разделяют на
низкотемпературные (до 300°С), среднетемпературные (до 1600°С)
и высокотемпературные (выше 1800° С) [9],
Температура определяется из развиваемой ЭДС
£ = а(7\-7\)
(IX.2)
для дифференциальной термопары и
£ = а(7\-Т0)	’ (IX.3)
термопары, у которой свободные концы находятся при одинако-
температуре То. Здесь а — коэффициент термоЭДС, Тх — изме-
Для
вой
ряемая температура, 7\— температура термостатированного спая.
Формулы (IX.2), (IX.3) справедливы только для а, не зависящего
от температуры. Учет температурной зависимости описывается сте-
пенным рядом, коэффициенты которого определяются эксперименталь-
ным путем. Показания термопар определяют по градуировочным
таблицам.
Рис, IX.2. Конструкция промышленной термопары:
7 — спай; 2-*- электрод; 3 — электроизоляция; 4 == защитная
арматура; 5 = клеммная колодка.
Градуировка термопар производится по эталонным -термометрам
сопротивления, эталонным термопарам, оптическим пирометрам. При-
меняют также градуировку по реперным точкам (см. Приложение)
[23].
Для обеспечения точности, надежности и удобства измерений
термопары должны обладать: стабильностью во времени при воздействии
температуры в заданном интервале, воспроизводимостью для обеспе-
чения их взаимозаменяемости, по возможности большой термоЭДС
и малой ее зависимостью от температуры, стойкостью к окислению,
механической прочностью, однородностью ветвей для уменьшения влия-
ния распределения температуры на показания термопары, техноло-
гичностью при изготовлении материалов для обеспечения их воспро-
изводимости и взаимозаменяемости [9]. u
286
Точность измерения температур термопарами кроме неустрани-
мых температурных шумов [19] ограничена рядом погрешностей,
среди которых наибольшую роль играют погрешности; обусловленные
процессами, протекающими в ветвях при' повышенных температурах
(диффузией примесей, изменением концентрации и движением дефек-
тов, изменением состава ветвей, загрязнением, испарением, окисле-
нием поверхности или восстановлением, ростом зерен и т. д.), ис-
кажениями, вносимыми термопарами в температурное поле измеряе-
- мого объекта, и влиянием внешних электрических и магнитных
полей (иногда давлением).
Для измерений в большинстве случаев используют стандартные
термопары (табл. IX. 1), однако применяют и такие, для которых
не существует соответствующей нормативной документации. Нестан-
дартными термопарами могут решаться задачи расширения пре-
делов измерений, повышения точности, измерения температуры в спе-
циальных условиях и т. д.
§ 1.	Стандартные термопары	«
1.	Стандартные термопары, применяемые в СССР
Термопары с хромель-алюмелевымы электродами. Положительный
электрод—хромель, отрицательный — копель, диапазон измеряемых
температур при длительном применении от—50 до 1000° С, предельная
температура измерений при кратковременном применении до 1300°С.
Градуировка термопары приведена в табл. IX.2. Погрешности пока-
заний в процессе эксплуатации обусловлены рядом причин. Среди
них наиболее существенными являются рекристаллизация материала
ветвей при повышенных температурах, рост зерен, окисление и диф-
фузия, вызванная изменением состава материала' в поверхностных
слоях [9]. В начальные периоды работы (300—400 ч) термоЭДС тер-
мопар может возрастать на 1,5—2,0% из-за рекристаллизации. Ин-
тенсивный рост зерен происходит при температурах выше 500° С в
течение 500 ч; при 1000° С площадь зерен возрастает в 50—100 раз.
При температурах выше 500°С окисление протекает интенсивно и
вызывает на глубинах до 0,3 мм изменение состава ветвей, пара-
метров кристаллической решетки и соответственно уменьшение
термоЭДС [25—27] (на 4—6% при "температурах около 1000° С).
Глубина проникновения окисления зависит от условий эксплуа-
тации. При циклических нагревах интенсивность окисления
возрастает, особенно у алюмеля, где оксидная пленка легко,
отделяется при охлаждении и создает благоприятные условия для
дальнейшего окисления при следующем цикле разогрева. На ста-
бильность термопар оказывает влияние окружающий электроды
электроизоляционный материал. Исследования при больших вы-
держках дали следующие результаты: при нагреве на воздухе до
800° С в течение 10 000 ч для хромеля диаметром 0,7 и 1,2 мм
изменение термоЭДС составляет 240 и 160 мкВ соответственно,
для алюмеля — 150 и 80 мкВ. Аналогичные исследования пар
диаметром 0,7 мм дали отклонения 270 мкВ или 6,7 К, а диаметром
1,2 мм — 240 мкВ или 6 К.
Термопары с хромель-коп елевыми электродами. Применяются
для измерений температуры в интервале от —50 до 600° С, а при крат-
287
g	Таблица IX.1
00 Пределы и точность измеряемых температур (°C)
стандартными термопарами [9]
Термопара	Пара- метр .	СССР	НРБ	ВНР	ГДР	ПНР	СРР	ЧССР	Англия	США	ФРГ
		ГОСТ 3044—74	БДС 5079—63	MNOSZ 11290-52	TGL0- 4371.0	PN-59M- 538 54	Ин-ция 59—62	CSN 356710	BS1826-29, 1041-43	С96, 1—1964 	!	DN 43710
Медь— константан	Предел изме- рений			От—200 (—250) до 400 (600)	От—200 до 400 (600)	От—200 до 400 (600)	От—200 до 400 (600)	От—200 до 400 (600)	От—190 до 400 (500)	От—190 до 400	От—200 до 400 (600)
	Точ- ность			5,0	3,0	з,0	5,0	5,0	5,0	3,0	4,0
Хромель — копель	Предел изме- рений	От—50 до 600 (800)	От—50 до 600 (800)	—	—	—	От—50 до 600 (800)	—	—	—	—
	Точ- ность	4,32 (6,81)	6,0				6,0				
1					1					1	
10 9-413
Железо — конс- тантан	Предел изме- рений			От—200 (—250) до 600 (900)	От—200 до 700 (900)	От—200 до 600 (900)	От—200 до 600 (900)	От—200 до 600 (900)	От—195 до 750 (870)	От-190 до 760 (870)	От—200 до 700 (800)
	Точ- ность		1	5,3	4,2	3,8	5,2	5,2	5,0 (10,0)	5,25	5,0
Железо — копель	Предел изме- рений						От 0 до 600 (800).				
	Точ- ность		1								
Медь — копель	Предел измере- ний				-		От 0 до 400 (600)	J	-		
	Точ- ность									-	
Нихром — никель	Предел измере- ний			От 0 до 900 (1200)	От 0 до 1000 (1200)	От 0 до 1000 (1300)	От 0 до 900 (1200)	От 0 до 900 (1200)			От 0 до 1000 (1300)
	Точ- ность			9,7 (12,5)	7,5 (9,0)	4,0 (5,2)	9,75	9,75			7,0 (9,0)
о
о
Продолжение табл. XL 1
Термопара	Пара- метр	СССР	НРБ	ВНР	ГДР	ПНР	СРР	ЧССР	Англия	США	ФРГ
		ГОСТ 3044—74	БДС 5079—63	MNOSZ 11290—52	TGL0- 43710	PN-59 М— 53854	Ин-ция 59-62	CSN 356710	BS1826-2 9, 1041-43	С96, 1—1964	1 DN 43710
Иридийплатина — платина	Предел изме- рений			>				г;	От 0 до 1000 (1200)		
	Точ- ность								।		
Иридийплатина — иридий	Предел измере- ний						г		От 0 до 1000 (1200) .		(
	Точ- ность										
Нихромникель — алюминий	Предел изме- рений								От—200 до 1370		
	Точ- ность										
				I	;	1 1						
Хромель— алюмель	Предел измере- ний	От—50 до 1000 (1300)		От—50 до 1000 (1300)	От 0 до 1000 (1200)		От—50 до 900 (1300)	От. 0 до 900 (1300)	От 6 (-190) до 1250 (1370)	От 0 (—200) до 1260 (1370)	
	Точ- ность	7,72 (10,08)		(10,0)			7,5	10,0	10,0	9,0 (Ю,0)	
Хромель — кон- стантан	Предел измере- ний		1 ‘							От—200 до 870 (1000).	
	Точ- ность										
Платинородий — платина	Предел измере- ний	От 0 (-20) до 1300 (1600)	От—20 до 1300 (1600)	От 0 f до 1300 (1600)	От 0 до 1300 (1600)	От 0 до 1200 (1600)	От 0 до 1,300 (1600)	От 0 до 1300 (1600)	От 0 до 1400 (1770)	От 0 до 1480 (1760)	От 0 до 1300 (1600)
	Точ- ность	2,9 (3,7)		3,0	4,4 (5,6)	3,0 (4,0)	6,5 (7,9)	4,0	3,0	7,5 (8,5)	6,0 (8,0)
Платинородий — платинородий	Предел измере- ний	От 300 до 1600 (1800)	От 300 до 1600 (1800)						От 300 до 1450 (1600)		
	Точ- ность	5,08 (4,62)									
ю
so
ьо
Продолжение табл. IX Л
Термопара	Пара- метр	СССР	НРБ	ВНР	ГДР	ПНР	СРР	ЧССР	Англия	США	ФРГ
		гост 3044-74	БДС 5079-63	MNOSZ 11290-52	TGL0- 43710	PN-59M— 53854 1	Ин-иия 59-62	CSN 356710	BS 1826-29, 1041-43	С96, 1-1964	DN 43710
Родийиридий — иридий	Предел изме- рений								До 2000		
	Точ- ность								<		
Вольфрамрений — вольфрамрений	Предел изме- рений	От 0 до 1800 (2500)	От 0 до 2500								
	Точ- ность	9,74									
Вольфрам — мо- либден	Предел измере- ний								До 2600		
------------------------------------------------ж
Примечание. В скобках указаны допускаемые пределы измерений и точность при кратковременном применении или в особых
условиях.
Т а б л и ц а IX.2
Градуировочная таблица термопары с хрб мель-алюмелевыми электродами (тип ТХА.
градуировочная характеристика ХЛ68) [20а\_____________
Темпе- ратура рабочего конца, °C	ТермоЭДС,' мВ, для температуры,, °C									
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
—0	—0,000	—0,392	—0,777	—1,156	—1,527	—1,889				
0	0,000	0,397	0,798	1,203	1,611	2,022	2,436	2,850	3,266	3,681
100	4,095	4,508	4,919	5,327	5,733	6,137	6,539	6,939	7,338	7,737
200	8,137	' 8,537	8,938	9,341	9,745	10,151	10,560	10,969	11,381	11,793
300	12,207	12,623	13,039	13,456	13,874	14,292	14,712	15,132	15,552	15,974
400	16,395	16,818	17,241	17,664	18,088	18,513	18,938	19,363	49,788	20,214
500	20,640	21,066	21,493	21,919	22,346	22,772	23,198	23,624	24,050	24,476
600	24,902	25,327	25,751	26,176	26,599	27,022	27,445	27,867	28,288	28,709
700	29,128	29,547	29,965	30,383'	30,799	31,214	31,629	32,042	32,455	32,866
800	33,277	33,686	34,095	34,502	34,909	35,314	35,718	36,121	36,524	36,925
900	37,325	37,724	38,122	38,519	38,915	39,310	39,703	40,096	40,488	40,879
1000	41,269	41,657	42,045	42,432	42,817	43,202	43,585	43,968	44,349	44,729
1100	45,108	45,486	45,863	46,238	46,612	46,985	47,356	47,726	48,095	48,462
1200	48,828	49,192	49,555	, 49,916	50,276	50,633	50,990	51,344	51,697	52,049
1300	52,398									
ковременных измерениях —
до 800° С. Градуировка тер-
мопары приведена в табл.
IX.3. Механизмы изменения
термоЭДС такие же, как и
у хромель-алюмелевых тер-
мопар. Сведения об из-
менениях градуировки при-
ведены в табл. IX. 4.
_ Термопары с электрода-
ми из платинородия и пла-
тины. Применяются для из-
мерений температуры в ин-
тервале от — 20 до 1300° С,
а при кратковременных из-
мерениях — до 1600° С. По-
ложительный электрод из
сплава 10% родия + 90%
платины, отрицательный
электрод из платины. Гра-
дуировка термопары приве-
дена в табл. IX.6. Неста-
бильности проявляются при
высоких температурах. Как
и для других типов термо-
пар, сравнительно мелко-
зернистая структура мате-
риала ветвей укрупняется
до образования блоков, за-
полняющих электрод. Рост
кристаллов снижает проч-
ность электродов и приво-
дит к искажениям на гра-
ницах кристаллов, ухудша-
ющим термоэлектрические
свойства. При 1000° С и вы-
ше родий из положительной
ветви испаряется быстрее
платины, тем самым нару-
шается исходный состав и
термоЭДС убывает. Некото-
рая часть испарившегося
родия оседает на платино-
вой ветви, проникает в нее
и также уменьшает термо-
ЭДС. Совокупность этих
факторов и проникновение
различных примесей при
высоких температурах при-
водят к снижению термо-
ЭДС [9, 16]. Отклонения от
градуировочныхданных при
различных условиях работы
приведены в табл. IX.5.
294
Таблица IX.4
Отклонение градуировочной характеристики (К)
для термопары с электродами из хромеля и копеля [9]
Температура, °C	'	Время, ч					Диаметр термо- электродной проволоки, мм
	2000	4000	6000	8000	10 000	
До 300	4,0	6,0	8,4	10,8	12,0	
400	8,0	10,5	12,0	14,0	15,0	3,2
500	11,5	14,0	16,0	18,5	19,0	
600	13,8	16,8	18,0	20,5	23,0	
До 300	5,0	7,0	9,5	12,0	13,0	
400	9,0	11,5	14,0	15,0	16,2	1,2—1,5
500	12,5	14,0	17,0	19,0	20,5	
600	14,5	17,0	19,5	21,5	24,0	
До 300	6,0	8,4	10,8	13,0	14,5	
400	10,5	12,0	15,0	16,2	17,5	0,5—0,7
500	14,0	16,0	18,5	20,5	13,0	
600	16,0	18,0.	20,5	23,0	25,0	
Таблица IX.5
Отклонение градуировочной характеристики от начальных
значений (К) для термопар с электродами из платинородия
и платины [9]
Температура, °C	Время, ч							
	100	| 500	| 1000	2000	| 4000	I 6000	| 8000	10 000
До 500	0,5	0,8	1,5	1,5	4,5	6,0	7,0	8,0
600	0,7	1,0	1,8	3,5	5,0	6,5	7,5	8,5
700	1,0	1,5	2,5	4,0	5,5	7,0	8,0	9,0
800	1,5	2,0	3,0	4,5	6,0	7,5	8,5	9,5
900	2,0	3,0	4,0	5,5	7,0	8,5 ,	9,5	10,5
1000	2,5	4,5	5,5	7,0	8,5	10,0	11,0	12,0
1100	4,0	6,5	7,5	9,0	10,5	12,0	—	—
1200	6,0	9,0	10,0	—	—	—	—	—
1300.	8,5	12,0	—	—	—	—	—	—
295
ьэ	Таблица IX.6
с®
05 Градуировочная таблица термопары с электродами из платинородия
и платины (тип ТПП, градуировочная характеристика ПП^3) [20а]
Темпе- ратура рабочего конца, °C	ТермоЭДС, мВ, для температуры, ®С									
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
0	0,000	0,056	0,113	0,173	0,234	0,297	0,363	0,431	0,501	0,572
100	0,644	0,717	0,792	0,869	0,947	1,026	- 1,106	1,187	1,269	1,352
200 .	1,436	1,521	1,606	1,692	1,779	1,867	1,955	2,043	2,139	2,223
300	2,314	2,406	2,498	2,591	2,684	2,777	2,871	2,965	3,060	3,155
400	3,250	3,345	3,440	3,536	3,632	3,728	3,825	3,922	4,020	4,118
500	4,216	4,315	4,414	, 4,514	4,614	4,714	4,814	4,914 '	5,015	5,116
600	5,218	5,320	5,422	5,525	5,628	5,731	5,835	5,939	6,043	<6,148
700	6,253	6,358	6,463	6,568	6,674	6,780	6,887	6,994	7,101	7,209
800	7,317	7,426	7,535	7,645	7,754	7,864	7,974	8,084	8,194	8,305
900	8,416	8,527	8,639	8,751	8,864	8,978	9,092	9,206	9,320	9,435
1000	9,550	9,665	9,780	9,895	10,011	10,128	10,245	10,362	10,472	10,596
1100	10,714	10,832	10,950	11,068	11,187	11,306	11,425	11,544	11,664	11,784
1200	11,904	12,024	12,144	12,264	12,384	12,504	12,624	12,744	12,865	12,986
1300	13,107	13,228	13,349	13,470	13,591	13,712	13,833	13,954	14,075	14,195
1400	14,315	14,435	14,554	14,674	14,794	14,914	15,034	15,154	15,273	15,392
1500 1600	15,511 16,685	15,630	15,749	15,867	15,985	16,102	16,219	16,336	16,453	16,569
Таблица IX.7
Градуировочная таблица термопары с электродами из платинородия
(тип ТПР, градуировочная характеристика ПР 30/6^) [20a]
Темпера- тура рабо- чего конца, °C	ТермоЭДС,. мВ, для температуры, °C									
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
300	0,443	0,475	0,508	0,542	0,577	0,613	0,650	0,688	0,727	0,767
400	0,808	0,850	0,893	0,938	0,983	1,029	1,076	1,124	1,173	1,223
500	1,274	1,325	1,377	1,430	1,484	1,540	1,596	1,653	1,710	1,770
600	1,830	1,891	1,953	2,015	2,078	2,142	2,207	2,272	2,339	2,407
700	2,476	2,546	2,616	2,687	2,759	2,832	2,906	2,981	3,057	3,132
800	3,208	3,287	3,367	3,447	3,527	3,608	3,690	3,773	3,856	3,940
900	4,025	4,111	4,198	4,285	4,373	4,462	4,552	4,642	4,732	4,824
1000	4,916	5,009	5,102	5,196	5,291	5,387	5,484	5,582	5,680	5,778
1100	5,878	5,978	6,078	6,180	6,282	6,384	6,487	6,590	6,694	6,799
1200	6,904	7,010	7,117	7,224	7,331	7,439	7,547	7,655	7,764	7,873
1300	7,982	8,092	8,203	8,315	8,427	8,539	8,652	8,765	8,878	8,992
1400	9,106	9,220	9,334	9,448	9,563	9,679	9,795	9,911	10,027	10,143
1500	10,259	10,376	10,493	10,610	10,727	10,844	10,961	11,078	11,195	11,312
1600	11,429	11,546	11,663	11,780	11,897	12,014	12,131	12,249	12,367	12,485
1700 1800	12,603 13,778	12,721	12,839	12,957	13,075	13,193	13,310	13,427	13,544	13,661
Термопары с платин о родий-платино родиевыми электродами. Ис-
пользуются -*для измерений температур в интервале 300—1600° С
^кратковременно — до 1800° С. Положительный электрод из сплава,
содержащего 30% родия, отрицательный — 6% родия. Градуиров-
ка термопары приведена в табл. IX.7. Основными механизмами,
приводящими к нестабильности, являются загрязнение при высоких
температурах различными примесями из защитной арматуры, испа-
рение родия и частично взаимная диффузия материалов ветвей [28,
30]. В табл. IX.8 приведены результаты исследования нестабиль-
ности, обусловленной совокупным действием всех механизмов.
Таблица IX.8
Отклонение градуировочной характеристики (К) для термопар
с электродами из платинородия [9]
Температура,  °C	Время, ч							
	100	600	1000	2000	4000	6000	8000	10 000
До 500	1,0	1,5	2,5	4,0	6,5	8,5	10,0	11,0
600	1,5	2,0	3,0	4,5	7,0	9,0	10,5	11,5
700	2,0	2,5	3,5	5,0	7,5	9,5	11,0	12,0
800	2,5	3,0	4,0	5,5	8,0	10,0	11,5	12,5
.900	3,0	3,5	4,5	6,0	8,5	10,5	12,0	13,0
1000	4,0	4,5	5,5	7,0	9,5	11,5	13,0	14,0
1100	5,0	5,5	6,5	8,0	20,5	12,5	14,0	15,0
1200	6,0	7,0	8,0	9,5	12,0	14,0	15,5	16,5
1300	7,0	8,5	10,0	11,5	14,0	—	—	—»
1400	8,5	10,5	12,0	14,0	—			—	—
1500	10,0	13,0	14,5	—.	—			—	—
1600	11,5	16,0	—	—	—	—	—	—
Термопары с вольфрам-рениевыми электродами. Применяются для
измерения температуры в интервале от 0 до 2200° С, а при крат-
ковременном использовании — до 2500° С. Положительный элект-
род из сплава вольфрама с рением содержит 5% рения, отрицатель-
ный 20% рения. Градуировка термопары приведена в табл. IX. 9.
При 1400° С в течение 700 ч изменения показаний термопар ВР5/20
не превышали 12 К в среде аргона и 6 К в вакууме; при 1800° С в те-
чение 350 ч изменения в вакууме достигали 20 К, а в водороде
60 К [9].
2.	Стандартные термопары,
применяемые в зарубежных странах
Сведения об основных типах термопар, применяемых в зарубежных
странах, приведены в табл. IX.1. Стандартные термопары в различ-
ных странах отличаются как по применяемым электродным мате-
риалам, так и по интервалам измеряемых температур. Сущест-
вует некоторое различие и в градуировках термопар, изготовленных
из электродных материалов одинакового состава. В связи с этим
Международной электротехнической комиссией в 1975 г. [39] пред-
ложены усредненные градуировки для основных типов термопар t
приведенные в табл. IX. 10.
298
Таблица IX.9
Градуировочная таблица термопары с электродами из волъфрамрения (типа ТВР,
градуировка ВР 5/20^-1) [20а]
ю
о
со
Температура рабочего конца, °C	ТермоЭДС, мВ, для температуры, *С									
	0	10	20	30	40	50	60	70	80	90
0	0,000	0,124	0,250	0,378	0,508	0,640	0,774	0,910	1,048	1,188
100	1,330	1,475	1,622	1,771	1,922	2,075	2,230	2,387	2,546	2,707
200	2,869	3,032	3,195	3,359	3,523	3,688	3,853	4,019	4,185	4,352
300	4,519	4,687	4,855	5,024	5,193	5,362	5,531	5,700	5,869	6,039
- 400	6,209	6,379	6,549	6,719	6,889	7,059	7,229	7,399	7,569	7,739
500	7,909	8,078	8,247	8,416	8,585	8,754	8,923	9,092	9,261	9,430
600	9,598	• 9,765	9,933	10,101	10,269	10,437	10,605	10,772	10,939	11,106
700	11,273	11,440	11,606	11,772	11,938	12,104	12,269	12,434	12,599	12,764
800	12,929	13,093	13,257	13,421	13,584	13,747	13,910	14,072	14,234	14,395
'900	14,556	14,716	14,876	15,035	15,194	15,352	15,510	15,667	15,824	15,980
1000	16,136	16,291	16,446	16,600	16,754	16,907	17,060	17,212	17,364	17,515
1100	17,666	17,816	17,966	18,115	18,264	18,412	18,560	18,707	18,854	19,000
1200	19,146	19,291	19,436	19,580	19,724	19,867	20,010	20,152	20,294	20,435
1300	20,576	20,716	20,856	20,996	21,135	21,274	21,413	' 21,551	21,689	21,826
1400	21,963	22,099	22,235	22,370	22,505	22,639	22,773	22,906	23,039	23,171
1500	23,303	23,434	23,565	23,695	23,825	23,954	24,083	24,211	24,338	24,464
1600	24,590	24,715	24,840	24,964	25,088	25,211	25,334	25,456	25,578	25,699
1700	25,820	25,940	26,060	26,179	26,298	26,416	26,534	26,651	26,768	26,884
1800	26,999									
Градуировки основных типов стандартных термопар, предложенный
Свободные концы при 0° С [59]
Тип термометра	Темпера- тура рабочего конца, 0° С	ТермоЭДС, мкВ,		
		0	10 1	20
Платина + 13%	—0	0	—51	-100
родия платина	0	0	54	111
	100	647	723	800
	200	1 468	1 557	1 647
	300	2 400	2 498	2 596
	400	3 407	3511	3616
	500	4 471	4 580	4 689
	600	5 582	5 696	5810
	700	6 741	6 860	6 979
	800	7 949	8'072	8 196
	900	. 9 203	9 331	9 460
	1 000	10 503	10 636	10 768
	1 100	11 846	11 983	12 119
	1 200	13 224	13 363	13 502
	1 300	14 624	14 765	14 906
	1 400	16 035	16 176	16317
	1 500	17 445 ‘	17 585	17 726
	1 600	18 842	18 981	19 119
	1 700	20 215	20 350	20 483
Платина + 10%	—0	0	—53	- —103
родия — платина	0	0	55	113
	100	645	719	795
	200	1 440	1 525	1 611
	300	2 323	2414	2 506
	400	3 260	3 356	3 452
	500	4 234	• 4 333	4 432
	600	5 237	5 339	5 442
	700	6 274	6 380	6 486
	800	7 345	7 454	7 563
	.900	8 448	8 560	8 673
	1 000	9 585	9 700	9816
	1 100	10 754	10 872	10 991
	1 200	11 947	12 067	12 188
	1 300	13 155	13 276	13 397
	1 400	14 368	14 489	14 610
	1 500	15 576	15 697	15817
	1 600	16 771	16 890	17 008
	1 700	17 942	18 056	18 170
300
Таблица IX.10
Международной электротехнической комиссией в 1975 г.
	для температуры,. °C						
	30	40	50	60	70	80	90
	-145	-188	—226						
	171	232	296	363	431	501	573
	879	959	1041	1 124	1 208	1 294	1 380
	1 738	1 830	1 923	2017	2 111	2 207	2 303
	2 695	2 795	2 896	2 997	3 099	3 201	3 304
	3 721	3 826	3 933	4 039	4146	4 254	4 326
	4 799	4910	5 021	5132	5 244	5 356	5 469
	5 925	6040	6 155	6 272	6 388	6 505	6 623
	7 098	7218	7 339	7 460	7 582	7 703	7 826
	8 320	8 445	8 570	8 696	8 822	8 949	9 076
	9 589	9 718	9 848	9 978	10 109	10 240	10 371
	10 902	И 035	И 170	11 304	11439	11 574	11 710
	12 257	12 394	12 532	12 669	12 808	12 946	13 085
	13 642	13 782	13 922	14 062	14 202	14 343	14 483
	15 047	15 188	15 329	15 470	15611	15 752	15 893
	16 458	16 599	16 741	16 882	17 022	17 163	17 304
	17 866	18 006	18146	18 286	18 425	18 564	18 703
	19 257 20 616	19 395 20 748	19 533 20 878	19 670 21006	19 807	19 944	20 080
	—150	—194	—236							
	173	235	299	365	432	502	573
	872	950	1 029	1 109	1 190	1 273	1 356
	1 698	1 785	1 873	1 962	2 051	2 141	2 232
	2 599	2 692	2 786	2 880	2 974	3 069	3164
	3 549	3 645	3 743	3 840	3 938	4 036	4 135
	4 532	4 632	4 732	4 832	4 933	5034	5 136
	5 544	5 648	5 751	5 855	5 960	6 064	6169
	6 592	6 699	6 805	6913	7 020	7128	7 236
	7 672	7 782	7 892	8 003	8 114	8 225	8 336
	8 786	8 899	9012	9 126	9 240 '	9 355	9 470
	9 932	10 048	10 165	10 282	10 400	10 517	10 635
	11 ПО	11 229	11 348	11 467	11 587	11 707	11 827
	12 308	12 429	12 550	12 671	12 792	12913	13 034
	13519	13 640	13 761	13 883	14 004	14 125	14 247
	14 731	14 852	14 973	15 094	15215	15 336	15 456
	15 937	16 057	16 176	16 296	16415	16 534	16 653
	17 125 18 282	17 243 *8 394	17 360 18 504	17 477 18 612	17 594	17711	17 826
301
	Темпера- тура	ТермоЭДС, мкВ,			
Тип термометра	рабочего конца, 0°С	0 1	10	20	
Платина + 30% родия—платина-f- + 6% родия	0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500 1 600 1 700 1 800	0 33 178 431 786 1241 1 791 2 430 3 154 3 957 4 833 5 777 6 783 7 845 8 952 10 094 11 257 12 426 13 585	—2 43' 199 462 827 1292 1 851 2 499 3 231 4 041 4 924 . 5 875 6 887 7 953 9 065 10210 11374 12 543 13 699	—3 53 220 494 870 1 344 1 912 2 569 3 308 4 126 5016 5 973 6 991 8 063 9 173 10 325 И 491 12 659 13814	
Железо—констан- тан	—200 —100 —0 Ю 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 100 1200	—7 890 -4 632 0 0 5 268 10 777 16 325 21 846 27 388 33 096 39130 45 498 51 875 57 942 63 777 69 536	-8 096 -5 036 —501 507 5 812 11332 16 879 22 397 27 949 33 683 39 754 46 144 52 496 58 533 64 355	—5 426 —995 1 019 6 359 11 887 17 432 22 949 28 511 34 273 40 382 46 790 53 115 59 121 64 933	
Медь— константан	—200 — 100 —0 0 100 200 300 400	—5 603 —3 378 0 0 4 277 9 286 14 860 20 869	—5 753 —3 656 —383 391 4 749 9 820 15 443	—5 889 —3 923 —757 789 5 227 10 360 16 030	
302
Продолжение табл. IX. 10
	для температуры, °C						
	30	40	60 	I 60	1 70	|	80	90
	—2	—0	2	6	11	17	25
	65	78	92	107	123	140	159
	243	266	291	317	344	372	401
	527	561	596	632	669	707	746
	913	957	1 002	1 048	1 095	1 143	1 192
	1 397	1 450	1 505	1 560	1 617	1 674	1 732
	1 974	2 036	2 100	2 164	2 230	2 296	2 363
	2 639	2 710	2 782	2 855	2 928	3 003	3078
	3 387	3 466	3 546	3 626	3 708	3 790	3 873
	4212	4 298	4 386	4 474	4 562	4 652	4 742
	5109	5 202	5 297	5 391	5 487	5583	5 680
	6073	6 172	6 273	6 374	6 475	6 577	6 680
	7 096	7 202	7 308	7414	7 521	7 628	7 736
	8 172	8 283	8 393	8 504	8 616	8 727	8 839
	9 291	9 405	9 519	9 634	9 748	9 863	9 979
	10 441	10 558	10 674	10 790	10 907	И 024	И 141
	И 608	11 725	11 842	11 959	12 076	12 193	12 310
	12 776	12 892	13 008	13124	13 239	13 354	13 470
	—	—	•—	—			
									
	-5 801	—6 159	-6 499	—6 821	—7422	—7 402	—7 659
	—1 481	—1 960	—2 431	—2 892	—3 344	—3 785	—4 215
	1 536	2 058	2 585	3 115	3 649	4 186	4 725
	6 907	7 457	8 008	8 560	9113	9 667	10 222
	12 442	12 998	13 553	14 108	14 663	15217	15 771
	17 984	18 537	19 089	19 640	20 192	20 743	21 295
	23 501	24 054	24 607	25 161	25 716	26 272	26 829
	29 075	29 642	30 210	30 782	31 356	31 933	32 513
	34 867	35 464	36 066	36 671	37 280	37 893	38 510
	41 013	41 647	42 283	42 922	43 563	44 207	44 852
	47 434	48 076	48 716	49 354	49 989	50 621	51 249
	53 729	54 341	54 948	55 553	56 155	56 753	57 349
	59 708	60 293	60 876	61 459	62 039	62 619	63199
	65 510	66 087	66 664	67 240	67 815	68 390	68 964
	—	—	—	—	—	—	—
	—6,007	—6 105	•—6181	—6 232	—6258				
	—4 177	—4419	—4 648	—4 865	—5 069	—5 261	—5 439
	—1 121	—1 475	—1 819	—2 152	—2 475	—2 788	—3 089
	1 196	1 611	2 035	2 467	2 908	3 357	3813
	5 712	6 204	6 702	7 207	7 718	8 235	8 757
	10 905	11 456	12011	12 572	13 137	13 707	14 281
	16 621	17217	17816	18 420	19 027	19 638	20 252
	—	—	—	—	—	—	—
303
	Темпера- тура рабочего конца, 0°С		ТермоЭДС, мкВ,		
Тип термометра		° 1	1 10	20	
Хромель—копель	—200 —100 —0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000	—8 824 —5 237 0 0 6317 13419 21 033 28 943 36 999 45 085 53 110 61 022 68 783 76 358	—9 083 —5 680 —581 591 6 996 14 161 21 814 29 744 37 808 45 891 53 907 61 806 69 549	-9 274 —6 107 —1 151 1 192 7 683 14 909 22 597 30 546 38 617 46 697 54 703 62 588 70 313	
Хромель-алю- мель	—200 —100 —0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1 000 1 1-00 1 200 1 300	—5 891 —3 553 0 0 4 095 8 137 12 207 16 395 20 640 24 902 29 128 33 277 37 325 41269 45108 48 828 52 398 .	—6 035 —3 852 — 392 397 4 508 8 537 12 623 16818 21 066 25 327 29 547 33 686 37 724 41 657 45 486 49 192 52 747	—6 158 —4 138 —777 798 4919 8 938 13 039 17 241 21 493 25 751 29 965 34 095 38 122 42 045 45 863 49 555 53 093	
§ 2.	Технические характеристики
промышленных термопар
Свойства термопар описываются рядом параметров!
пределами измерения температуры, 0 С;
погрешностью термоЭДС в интервале температур, мВ;
отклонением градуировочной характеристики при температуре
свободных концов 0° С за определенное время эксплуатации при
определенной температуре, мВ;
тепловой инерцией или временем выхода в стационарный ре-
жим, с, мин;
304
Продолжение таблицы IX.10
	для температуры, °C						
	30	40	|	60	60	70	80	90
	—9 455	—9 604	—9 719	—9 797	—9 835				
	-6 516	—6 907	—7 279	—7 631	—7 963	—8 273	—8 561
	—1 709	—2 254	—2 787	—3 306	—3 811	—4 301	—4 777
	1 801	2419	3 047	3 683	4 329	4 983	5 646
	8 377	9 078	9 787	10 501	11 222	11 949	12 681
	15 661	16417	17 178	17 942	18 710	19 481	20 256
	23 383	24 171	24 961	25 754	26 549	27 345	28 143
	31 350 '	32 155	32 960	33 767	34 574	35 382	36 190
	39 426	40 236	41045	41 853	42 662	43 470	44 278
	47 502	48 306	49109	49 911	50 713	51 513	52 312
	55 498	56 291	57 083	57 873	58 663	59 451	60 237
	63 368	64 147	64 924	65 700	66 473	67 245	68 015
	71 075	71 835	72 593	73 350	74104	74 857	75 608
	—	—	—	—	—	—	—
	—6 262	—6 344	—6 404	—6 441	—6 458				
	—4 410	—4 669	—4 912	—5 141	—5 354	-5 550	—5 730
	-1 156	—1 527	—1 889	—2 243	—2 586	—2 920	—3 242
	1 203	1 611	2 022	2 436	2 850	3 266	3 681
	5 327	5 733	6 137	6 539	6 939	7 338	7 737
	9 341	9 745	10 151	10 560	10 969	11 381	11 793
	13 456	13 874	14 292	14 712	15 132	15 552	15 974
	17 664	18 088	18 513	18 938	19 363	19 788	20 214
	21 919	22 346	22 772	23198	23 624	24 050	24 476
	26 176	26 599	27 022	27445	27 867	28 288	28 709
	30 383	30 799,	31 214	31 629	32 042	32 455	32 866
	34 502	34 909	35 314	35 718	36 121	36 524	36 925
	38 519	38 915	39 310	39 703	40 096	40 488	40 879
	42 432	42 817	43 202	43585	43 968	44 349	44 729
	46 238	46 612	46 985	47 356	47 726	48 095	48 462
	49 916	50 276	50 633	50 990	51 344	51 697	52 049
	‘ 53 439	53 782	54 125	54 466	54 807	—	—
вероятностью безотказной работы за определенное время при
определенной температуре;
техническим ресурсом, ч;
длиной монтажной части, мм;
длиной погружаемой части, мм;
условным максимальным давлением измеряемой среды, кгс/см2;
сопротивлением электрической изоляции между термоэлектро-
дами и защитной арматурой, мОм;
ма,ссой, кг.
Приводятся также сведения, характеризующие особенности
конструкции (герметичность со стороны измеряемой среды, защи-
щенность от внешней среды, способ крепления! материал защитной
305
Технические данные промышленных термоэлектрических преобразо
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное условное давление, кгс/см’	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры i	
TXA-VIII	Жидкие и газо- образные среды	0—800 или 0—1000	40	3,5 МИН	Сталь Х25Т .или сталь Х18Н10Т	
TXK-VIII	То же	0—600	х40	3,5 мин	Сталь 20 или сталь Х18Н10Т	
ТХА-ХШ	» »	0—800 или 0—1000	Atmqc- ферное ч	3,5 мин	Сталь Х25Т или сталь Х18Н10Т	
тхк-хш	» »	0—600	То же	3,5 мин"	Сталь 20 или сталь Х18Н10Т	
ТХК-400У	Жидкие и газо- образные среды; измерение в сре- де паров топли- ва, масла и воз- духа	0—600	25	1 мин	Сталь Х18Н10Т	
306
							вателей [2/]
Длина погру- жаемой части 80, 100, 120, 250, 320	о СО ND ND	о ND СП О 05 ND О- О О О О СП о о о о о о о оо * ~ * - - о О ’	СП со nd to •— — — g to СП о 05 to о- О О О О СП о О О О О О О ОО 	о о	160, 200, 320, 400, 800, 1250	160, 200, 320, 400, 800, 1250	Длина монтажной части, мм		
С водо- защищен- ной го- ловкой *	*8#		То же	С обык- новенной или водо- защитной головкой	Защищенность от внеш- ней среды		
	Л S п О	? к к?		То же	Гер- мети- чен 	I	Герметичность со сто- роны измеряемой среды		
0,95 за 1000 ч	0,9 за 2000 ч	0,9 за 2000 ч	0,9 за 2000 ч	О СО Л	Вероятность безотказ- ной работы, не менее		
10 000	2000	2000	2000	2000	Технический ресурс, ч'		
сп	со ND	со ND	СО ND	со ND	Масса кг, не болэе		
5-50	0—60	5-50	5-50	5-50	Температура, °C	Окружающий воздух	
30—80	До 95 ± ±3	8 1 ОО о	30—80	30—80	Относительная влажность, %		
Таблица IX.11
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное условное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры	
ТХА-151	Измерение в про- мышленных усло- виях	От —50 ДО 1000	Атмос- ферное	Не нор- мирован	Без арма- туры	
ТХК-151	То же	От —50 до 600	То же	То же	То же	
ТХА-0515	Газообразные и жидкие агрессив- ные среды, не разрушающие за- щитную арматуру	От —50 до 900	64, 250, 500	Ю, 20, 40, 60, 120с	Стали марок ОХ20Н14С2 или ОХ13, или Х18Н10Т	
ТХК-0515	То же	От —50 до 600	64,250, 500	10, 20, 40, 60, 120с	Стали марок ОХ20Н14С2 или ОХ13, или Х18Н10Т	
ТПП-0555	Окислительные среды	0—1300	Атмос- ферное	40с	Алунд	
ТПР-0555	То же	300— 1600	То же	40с		
♦ Виброустойчив.
308
					1		
со о to — •—	О ооюо оо- О О си о о О О О О О СП - - - о о	ОО 00 О ьо to — — о о о о to- - О о СП  . OoOqCJI /’ §°	120—2000	120—2000	340—3220	340—3220	Длина монтажной час- ти,- мм	
С водо- защищен- ной го- ловкой		То же	С водо- защищен- ной голов- . кой *	То же	Без го- ловки	Защищенность от внешней среды	
То же	§ з2> х И S , ®	То же	Гер- мети- чен	1	1	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
0,8 за 1000 ч	0,8 за 1000 ч	1	1	0,8 за 1000 ч	0,8 за 1000 ч	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
1000	1000	10 000	10 000 при 800° С	|	1	Технический ресурс,- ч	
1,46	1,46	о Ъо	о Ъо	1,32	1,32	Масса, кг# не более	
От —50 до 50	От —50 до 50	1	1	0—50	5-50	Температура # °C	Окружающий воздух
До 95 ± ±3	До 95 + ±3	1	1	со о 1 00 о	30—80	Относительная влажность, %	
Продолжение табл, IX.1.
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции	1 Материал защитной арматуры	
ТПП-1378	Для точного из- мерения темпера- туры газовых окислительных сред в лабора- торных условиях	От —20 ДО 1300	Атмос- ферное	Не нор- мирована	Без арма- туры	
ТПР-1378	То же	300— 1600	То же	То же	То же	
ТПР-0213	Водород, угар- ный газ, пары воды и высшие углеводороды	300— 1600	35	1 мин	Окись алюминия	
ТХА-0806	Агрессивные и неагрессивные среды	0—800 и 0—1000	2',5 ' и 40	3,5 мин	Сталь Х25Т, сталь Х18Н10Т	
ТХК-0806	То же	0—600	2,5 и 40	3,5 мин	Сталь ОХ13, сталь Х18Н10Т	
310
СП со — СО ND ND >-* — — ООО ND СП о о nd о--- О О О О СП о ООООООСО-^Ю 	ООО ООО	СП СО ►— СО ND ND — — — ООО ND СП О О ND О- - - О О О О СП О OOOOOO00 4^ND ------ ООО ООО	О 4^ СО О — — — о О О ND Ом - о сл о орр§§	То же	Общая длина 120—3200	Длина монтажной час- ти,> мм	
%?	То же	С водо- защищен- ной головкой	То же	Без го- ловки	Защищенность от внеш- ней среды	
	То же	Гер- мети- чен	То же	оУ I я S . п>	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
0,8 за 2000 ч	ND О w ’ О 00 л	О Я со	0,94 за 500 ч	0,94 за 500 ч 1	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
2000	2000	'	 1	1	1	Технический ресурс, ч	
. 4,18	4,18	03	 1	1	Масса, кг, не более	
От —50 до 50	От —50 до 50	От —30 до 60	1	1	Температура, °C	Окружающий воздух
До 80	До 80	До 95	' 1	1	Относитель.ая влажность, %	
Продолжение табл. IX.11
Тип прибора 1 1	.	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное услов- ное давление# кгс/см2	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры	
ТПР-0472	Газовые среды (продукты сгора- ния нефти)	300— 1350	Избы- точное давле- ние, 1000 Н/м2	90 с	Сталь XH4510	
ТПР-0475	Расплав меди в конверторах и газов под сводом отражательной печи	300— 1500 (медь) 300— 1550 (газ)	Атмос- ферное	3 мин	Карбид кремния и окись алюминия	
ТВР-0877	Сухой водород в водородных электропечах	300— 1800	То же	10 с	Сталь Х18Н10Т, молибден •	
ТВР-1338	Увлажненный во- дород в водород- ных электропе- чах	300— 1800	» »	3 мин	Сталь Х18Й10Т, молибден	
ТХА-410	Выхлопные газы двигателей внут- реннего сгорания	0—800	100	1 мин	Сталь Х17Н13М2Т	
312
	4				
	части 80, 100, 120, 160	погру- жаемой	Длина	То же	
	головкой	защищен- ной	С водо-		
					То
					же
		за 1000 ч	0,95	200 ч	0,8 за
	12 000			4000	
	0,5				
			о 1		о
			-60		-35
			До		До
313			95		ОО О
части 160, 200, 250, 320, 400, 500	погру- жаемой	Длина	ОО О о		
То же				головкой	С обык- новенной
	мети- чен	Гер-	чен	мети-	Не гер-
	за 200 ч	0,8		1000 ч	0,8 за
4000			720— 1000 	1		
to			3,0		
	до	О			СИ 1
	со СИ	о			-80
		До			о
		ОО О			о
		
160, 320	Длина монтажной части, мм	
С водо- защищен- ной головкой	Защищенность от внешней среды	
Гер- мети- чен	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
0,89 за 2000 ч	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
1000	Технический ресурс, ч	
JO Ъо	Масса, кг, не более-	
От —50 до 50	Температура, °C*	Окружающий воздух
До 98	Относительная влажность, %	
Продолжение табл. IX.H
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры	
ТХК-920	Выхлопные газы двигателей внут- реннего сгорания	0—600	100	1 мин	Сталь Х17Н13М2Т	
ТХА-322	Выхлопные газы газотурбинных установок	0—700 и 0—900 (крат- ковре- менно)	Атмос- ферное	3 С	Сталь Х18Н12М2Т	
ТХМ-280М	Продукты сгора- ния природного газа в газотур- бинных установ- ках	0—900	То же	8 с	Сталь Х25Т	
ТХК-0083	Химические сре- ды в емкостях и трубопроводах	0—300	200	25 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХК-0445	Камера смеше- ния резиносмеси- теля	60—200	40	13 с	Сталь 40Х	
ТХК-0455	То же	60—200	40	13 с	Сталь 40Х	
314
315								
	Общая длина 1000	ю СП о	КЭ — ОО„ о to о сл оо- О to	  о ьо	о СПО о о о„°-	160, 200, 250,-320, 400, 500, 630, 800	145, 275	Длина погру- жаемой части 80, 100, 120, 160	Длина монтажной частиц мм	
	Без го- ловки со специаль- ной задел- кой вы- водов	С водо- защищен- ной головкой	С взрыво- защищен- ной головкой		То же	С водо- защищен- ной ^головкой	Защищенность от внешней среды	
		=5#	То же	Гер- мети- чен	Не герме- тичен	Гер- мети- чен	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
	|	1	0,9 за 2000 ч	0,98 за 8000 ч	0,8 за 2000 ч	1 0,95 за 1000 ч	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
	1	1	го о о '	о	00 О О о	СП О О о	ьо о о о	Технический ресурс, ч	
	to	ю	О	to Ъ1	о СП	о СП	Масса, кг, не более	
	От —15 до 50	От —15 до 60	От —50 до 50	От —10 до 150	о 1 СИ о	о о о	Температура, °C	Окружающий воздух
	о со о	о ОО О	о 00 О	о 00 О	До 95 ± ±3	До 95± ±3	Относительная влажность, %	
Продолжение табл. IX.И
Тип прибора	Назначение# измеряемая среда	Пределы измерений# ®С	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2		Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры	
ТХА-581М	Дымовые газы трубчатых печей высокого давле- ния	0—900	40		Не нор- мирован	Без арма- туры	
ТХК-0063	Системы электро- обогрева стацио- нарных устано- вок	0—550	Атмос- ферное		40 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХК-0073	То же	0—550	То же		40 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХКП-541	Поверхности труб в печах гидриро- вания	0—600	»	»	3,5 мин	Сталь 20	
ТХК-529	Поверхности кор- пусов прессов для переработки пластических масс и резиновых смесей	0—400	»	»	5 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХКП-551	Поверхностный	0—600	»	»	Не нор- мирован	Сталь 20	
316
317			)			1	1	
	Общая длина 166	ЬО >— о СО.0.0'* Я Ф о to	>—.	д 22 s д СИ g о О SQ 7 Д	S=s| § О о о 5 с о О- йэ Д	СП со to •— о to о ьо о со о сл о о о о о	сл со to •— о to о to to*- Со о сл О о о о о	1250— 14 000	Длина' монтажной части, мм	
	С водо- защищен- ной головкой	Без го- ловки со специаль- ной заделкой выводов	С водо- защищен- ной головкой	То же	С обык- новенной головкой	С водо- защищен- ной головкой	Защищенность от внешней среды	
	%?		%?		То же	Гер- мети- чен	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
	6*0	0,9 		0,9 за 2000 ч	to О со О» ф Л	0,9 за 2000 ч	0,9 за 2000 ч	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
	2000	2000	2000	10 000	10 000	2000	Технический ресурс, ч	
	Ъо	0,8	25,2	0,7 		0,7	20,5	Масса, кг, не более	
	От —50 до 50	0-120	От —50 до 50	001—0	0—100	1	Температура, °C	Окружающий воздух
	30—80	со о 1 ОО О	30—80	До 85	о ОО СЛ	1	Относительная влажность, %	
Продолжение табл. 1Х.11
						
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры	
ТХАП-551	Поверхностный	0-600	Атмос- ферное	Не нор- мирован	Сталь 20	
ТХКП-711	>	0—300	То же	То же	Сталь 20	
ТХК-834	»	0—400	» »	» »	Без арма- туры	
ТХК-382	>	0—400	» »	5 с	Сталь X18H10T	
ТХК-539М	Корпусы и голов- ки прессов для переработки пластических масс и резиновых смесей	0—400	» »	5 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХАП-15М	Измерение тем- пературы поверх- ностей	0—900	» »	Не нор- мирован	Без арма- туры	
318

	i		
Общая длина 335, 610	Общая длина 166	Длина монтажной части, мм	
То же	С водо- защищен- ной головкой	Защищенность от внешней среды	
То же	Гер- мети- чен	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
о '(О	о о	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
2000	2000	Технический ресурс, ч	
со	оз	Масса, кг, не более	
От —50 до 50	От —50 до 50	Температура, °C	Окружающий воздух
30—80	ОО О 1 00 О	Относительная влажность, %	
Продолжение табл. IX.И
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений# °C	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции 1	Материал защитной арматуры	
ТХКП-15М	Измерение тем- пературы поверх- ности	0—600	Атмос- ферное	Не нор- мирован	Без арма- туры	
тхкп- XVIII	То же	0—400	То же	40 с	Сталь 0X13	—
ТХК-682	Головки прядиль- ных машин	0—300	» »	5 с	Медь М3	
ТХА-0907	Горячий возврат	0-800	* 2	60 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХК-0907	То же	0—600	2	60 с	Сталь Х18Н10Т	—
ТХА-061М	Газ в стационар- ных условиях	0—500	Атмос- ферное	2 с	Сталь Х18Н10Т	
320
Н 9-413
1	1	1							
4720 •	250	250	Общая длина 500, 1000	Длина компен- сацион- ного провода 2 м	Общая длина - 15 м	Длина монтажной части, мм	
Без го- ловки со специаль ной заделкой выводов 1	То же	о Б » О  гз « Р S § 2 g о	§ Ке	•	То же	w	00	2	- • tr	Р	5	о	ОТ д — 2 03 ®	Ф	д	д	д	w 2	й	о	s	s >	W	Дс	ОЭ	-J 2	О	й	2	9 « Кв до*	С водо- защищен- ной головкой	Защищенность от внеш- ней среды	
	То же	Гер- мети- чен		Тоже	Не герме- тичен	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
0,8 за 2000 ч	0,8 за 2000 ч	0,8 за 2000 ч	а> *<©	о "ю	о "с©	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
2000	1	1 ,	ьо о о о	ьо ,	о о о	2000	Технический ресурс, ч	
о 'си	го	to	0,22 '	1,50	►—*	Масса, кг, не более	
От —50 до 50	20—80	20-80	От —5 до 50	От —50 до 50 L .	От —50 до 50	Температура, °C	Окружающий воздух
До 95	'До 95— 100	До 95— 100	30—80	оо о 1 00 О	До 95	Относительная влажность, %	
Продолжение табл. IX.11
Тип прибора	Назначение, измеряемая среда	Пределы измерений, °C	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры	
ТХА-071М	Стержни в ста- ционарных усло- виях	0—600	Атмос- ферное	1,5 с	Сталь Х18Н10Т	
ТХА-410М	Пары морской воды, топлива, масла	0—800	100	10 с	Сталь Х17Н13М2Т	
ТХА- 13680М2	Газовые потоки в условиях боль- ших скоростей	0-800 и 0—1000	Атмос- ферное	20 с	Сплав ЭП-99; Сталь Х25Т и сталь Х17Н13М2Т	
ТТСБ	Кратковременное измерение темпе- ратуры расплав- ленного металла	1200— 1800	—	5 с	Кварцевое стекло	
ТПР-1408М ТПР-1418М	То же	1300— 1700		5 с	То же	
322

60—160	100—150	60, 80, 100	Длина погру- жаемой части 80, 100, 120, 160	2960	Длина монтажной части, мм '	
g	® о 'ор^х^я)Ока ^?g§S3 •	Без го- ловки	Без го- ловки со специаль- ной заделкой выводов	С водо- защищен- ной головкой	Без го- ловки со специаль- ной заделкой выводов	Защищенность от внеш- ней среды	
।	1		То же	Гер- мети- чен	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
1	1	0,9 за 2000 ч	0,8	0,8	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
1	1	2000	10 000	2000	Технический ресурс, ч	
1	1	о* То	0,35	о	Масса? кг? не более	
1	1	о СИ о	До 120	От —50 до 50	Температура? °C	Окружающий воздух
1	1	До 100	До 100	-До 95	Относительная , влажность, % 1	
Продолжение табл, IX.ll
Тип прибора	Назначение# измеряемая среда	Пределы измерений# °C	Максимальное услов- ное давление, кгс/см2	Показатель тепловой инерции	Материал защитной арматуры
ТВР-251	Измерение темпе- ратуры в водо- родных mhax	100— 1800	—	40 с	Молибден
ТВР-299	Кратковременное измерение темпе- ратуры в высоко- температурных печах	800— 1950	—	Не нор- мирована	Керамика
ТХК-382	Стенки шприц- машин	0—400	—	5 с	Сталь 12Х18Н10Т
тхк-оозз	Изделия в паро- вых камерах	0—150	—	5 с	То же
ТХК-0434	Корпус реактора	0—400	1	3	Сталь 08Х18Н10Т
ТХК-0274	Реакторные ус- тановки нефте- продуктов	0—520	—	Не нор- мирована	Без арматуры
ТХК-920	Выхлопные газы двигателей внут- реннего сгора- ния	0—600	100	1 мин	Сталь 10Х17Н13 М2Т
ТХА-1479	Измерение тем- пературы поверх- ностей	0—750	—	1 мин	12Х18Н10Т
324
325	1				1	1 1				
	о 00 о о	80, 100, 120, 160	со о о о о о °|	to •— К- О СИ О ООО ООО ООО	60, 80, 100	100, 200, 320 		200, 320, 700	200, 320,  700	Длина монтажной части, мм	
	1	1	1	1			|	1	Защищенность от внешней среды	
	1	1	1	1	1	|	1	1	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	
	1	1	г	1	1	|	1	1	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	
	1	1	1	1	1	|	1	1	Технический ресурс, ч	
	1	1	I	1	1	1	1	1	Масса, кг, не более	
	1	1	1	1	1	1	‘ 1	1	Температура, °C	„Окружающий воздух
	1	1	1	1	1	1	1'	1 	Относительная влажность, %	
Продолжение табл. IX.И
Назначение,
измеряемая среда
ТХК-0675
Вода при скоро-
сти 10м/с
0—350
160
08Х18Н10Т
*Виброустойчив.
арматуры) и условия эксплуатации (устойчивость к механическим
воздействиям, измеряемая среда, интервал температур, относитель-
ная влажность окружающего воздуха).
Сведения о термопарах, в основном разработанных НПО «Тер-
моприбор», приведены в табл. IX. 11.
Погрешности термоЭДС для большинства термопар из хромеля
и копеля составляют до 300° С — не более ± 0,2 мВ, выше 300° С —
не более ±[0,2 + 6 • 10"4 (/ — 300)] мВ; из хромеля и алюмеля до
300° С — не более ± 0,16 мВ, выше 300° С — не более ±[0,16 +
+ 6 . 10~4(/ — 300)] мВ; для ТПП-0555, ТПР-0555, ТПП-1378 до
300° С — не более zt 0,01 мВ, выше 300° С — не более [0,01 +
+ 2,5 • 10“5(/ — 300)] мВ; для ТПР-0475, ТПР-0213 — не более
zt [0,01 + 3,3 • 10”4 (/ — 300)] мВ; t — температура, °C.
Сопротивление электрической изоляции между электродами
и защитной арматурой зависит от влажности окружающей среды и
измеряемой температуры. Например, для приборов типа ТХА-0515,
ТХК-0515 при 20° С и относительной влажности до 80% сопротив-
ление составляет не менее 5 мОм, при 900° С — не менее 0,07 мОм.
§ 3.	Нестандартные термопары
1.	Низкотемпературные термопары
При низких температурах коэффициент термоЭДС металлических
сплавов резко уменьшается, возрастает влияние примесей и дефек-
тов в материалах ветвей, поэтому кроме обычных термопар с элект-
родами из меди и константана, хромеля и алюмеля, хромеля и ко-
пеля для низкотемпературной термометрии (ниже 30—40 К) разра-
ботаны термопары из специальных сплавов [15, 18, 38].
В качестве материала для положительной ветви кроме меди
и хромеля для температуры ниже 80 К успешно применяется «нор-
мальное серебро» — Ag + 0,37% Au; для отрицательной ветви
широко используются сплавы Au+2,1% Со, обладающие более
высокими значениями коэффициента термоЭДС, чем константан. При
введении магнитных примесей коэффициент термоЭДС в области
326
Продолжение табл. 1ХЛ1
Длина монтажной части# мм	Защищенность от внешней среды	Герметичность со сто- роны измеряемой среды	Вероятность безотказ- ной работы, не менее	Технический ресурс, ч	Масса, кг, не более	Окружающий воздух	
						Температура, °C	Относительная влажность, %
80	—	—	—	—	—	—	—
температур магнитного упорядочени^примесей возрастает, чем до-
полнительно повышается чувствительность [1].
Используют также термопары манганин — копель манганин —
константан, медь — золото + железо и др. Разработана высокочув-
ствительная термопара из Pd + Cr + Ru — Au + Fe. Сведения
о низкотемпературных термопарах приводятся ниже.
Термопары из меди — константана. Широко применяются [5,
11] для измерений в интервале от —200 до 300° С. Характеристики
могут значительно отличаться в зависимости от применяемых мед-
ных и константановых проволок и степени их однородности, поэтому
каждую термопару необходимо индивидуально градуировать. Точ-
ность =t2 мкВ обеспечивается при использовании для описания тер-
моЭДС степенного ряда до членов третьей степени по температуре
Е= АТ+ ВТ*+ СТ3,	(IX.4)
где А, В, С — коэффициенты, определяемые градуировкой при трех
значениях температуры.
Для измерений при более низких температурах (до —270° С)
можно воспользоваться усредненной таблицей IX. 10. Неоднород-
ности медных ветвей могут привести к погрешности до 1 мкВ, кон-
стантановых — до 10 мкВ. Стабильность выше при больших диамет-
рах ветвей, поэтому при низких температурах следует использо-
вать константановые ветви диаметром не менее 0,25 мм и медные —
не менее 0,15 мм. Исследования стабильности при измерениях через
несколько лет дали расхождения в пределах 0,05 К. При использо-
вании материалов ветвей из одной партии относительные изменения
термоЭДС составляют 0,3% при температурах до —253° С, 0,03% —
при температурах от — 253 до 190° С и 0,02% — при температурах
от 190 до 30° С. При изготовлении термопар из различных партий
константана различие термоЭДС достигает 4%.
Недостатком медь-константановых термопар является резкое
уменьшение термоЭДС при низких температурах и в связи с этим
возрастание погрешности из-за нестабильности температуры сво-
бодных концов. Поэтому при низкотемпературных измерениях ре-
комендуется свободный спай помещать в среду с температуройй
327
близкой к измеряемой. Например, при измерениях водородных
температур уменьшение погрешности достигается, если свободные
концы поддерживать при температуре жидкого азота [9].
Термопары медь—золото + 2,1% кобальта, медь—золото +М%
кобальта, медь—золото 2,19% кобальта, «нормальное серебро» — зо-
лото + 1,9% кобальта, хромель—золото + 1,9% кобальта. Отлича-
ются от термопар медь—константан ббльшим значением термоЭДС
При низких температурах [15]. Градуировочные данные термопары
медь — золото + 2,1% кобальта приведены в табл. IX. 12 [9]; тер-
мопара может быть использована для измерений до —269° С. Откло-
нения термоЭДС при изготовлении электродов из одной партии
материалов Достигают 0,5% при температурах ниже — 253° С и
0,3% при температурах выше —253° С. Отклонения при изготов-
Таблица IX.12
Градуировочная таблица термопары медь—золотокобальта.
Свободные концы при 0° С [9]
/, °C	Е, мВ	а, мкВ	t, вс	Е, мВ	а, мкВ
20	0,860		—130	—5,531	41,3
10	0,430	43,0	—140	—5,940	40,9
0	0,000	43,0	—150	—6,343	40,3
—10	0,430	43,0	—160	—6,740	39,7
—20	—0,861	43,1	—170	—7,129	38,9
—30	’—1,291	43,0	—180	—7,507	37,8
—40	—1,721 •	43,0	—190	—7,975	36,8
—50	—2,150	42,9	—200	—8,234	35,9
—60	—2,579	42,9	—210	—8,567	33,3
—70	—3,007	42,6	—220	—8,887	32,0
—80	—3,433	42,6	’—230	—9,173	27,6
—90	—3,858	42,5	—240	—9,428	25,5
— 100	—4,281	42,3	—250	—9,637	20,9
—НО	—4,700	41,9	—260	—9,789	15,2
—120	—5,118	41,8	—270	—9,867	7,8
328
лении из различных партий материала достигают 17% и обусловлены
несовершенством технологии приготовления сплавов. Изменение
параметров термопары со временем достигает 5% на протяжении
2,о лет.
Сплав Au + 2,1% Со является перенасыщенным твердым рас,-
твором, в связи с чем концентрация кобальта при циклических из-
менениях температуры при перегревах может изменяться. Уменьше-
ние концентрации кобальта до 0,2% улучшает стабильность спла-
вов. однако при этом несколько уменьшается коэффициент термо-
Сведения о градуировке термопар медь—золото +1,9% ко-
бальта, медь—золото + 2,19% кобальта, хромель—золото +
+ 1,9% кобальта и «нормальное серебро» — золото + 1,9% ко-
бальта приведены в табл. IX. 13— IX. 16 [13]. Погрешность градуи-
ровки it 0,5 мкВ, стабильность при отогреве до комнатных темпе-
ратур сохраняется в пределах ±н0,3 мкВ. Термопары удобны Для
измерений при гелиевых и водородных темпер атургах. К недостат-
кам термопар относятся: низкая механическая прочность, большая
неоднородность, сильно изменяющаяся чувствительность и ее умень-
шение при низких температурах.
Термопары из меди и копеля. Градуировка приведена в табл.
IX. 17. Неоднородности вдоль копелевой ветви Приводят к пог-
решностям до 12 мкВ, вдоль медной — до 1 мкВ, что создает по-
грешности в измерении температуры до 1° С. Погрешности в гра-
дуировке при изготовлении термопар из различных партий про-
волок достигают 2° С при —200° С [3, 9].
Термопары из хромеля и алюмеля, хромеля и коцеля. Эти тер-
мопары в СССР являются стандартными для интервала средних
температур. Однако они могут применяться и при расширении диа-
пазона измерений в сторону низких температур. Погрешности из-
мерений при низких температурах в основном обусловлены неод-
Таблица IX.13
Градуировочная таблица термопары медь—золото -{-1,9% кобальта
в интервале от 2 до 273 К. Свободные концы при 273,16 К [/<?]
Т, к I	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ		Е, мкВ	т, к	Е, мкВ
2	10262,95	16	10140,74	38	9682,12	90	7920,73	190	3710,13
3	10259,68	18	10111,01	40	9628,32	95	7726,07	200	3268,14
4	10255,52	20	10078,56	45	9486,92	100	7528,77	210	2824,32
5	10250,47	22	10043,50	50	9336.64	ПО	7127,21	220	2379,12
6	10244,55	24	10005,95	55	9178,56	120	6717,65	230	1933,04
7	10237,78	-26	996^,02	60	9013,66	130	6301,34	240	1486,63
8	10230,16	28	9923,80	65	8842,77	140	5879,33	250	1040,22
9	10221,72	30	9879,42	70	8666,63	150	5452,49	260	593,33
10	10212,47	32	9832,96	75	8485,85	160	5021,58	270	143,77
12	10191,59	34	9784,53	80	8300,98	170	4587,23	273	7,67
14	10167,64	36	9734,22	85	8112,48	180	4149,95		
829
Таблица IX.14
Градуировочная таблица термопары медь—золото + 2,19%
кобальта в интервале от 2 до 273 К. Свободные концы
при 273,16 К [/5]
Т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ
2	10366,56	22	10141,94	65	8936,12	170	4649,89
3	10362,45	24	10104,30	70 ,	8759,43	180	4207,93
4	10357,57	26	10064,25	75 '	8578,13	190	3763,07
5	10351,90	28	10021,91	80	8392,72	200	3315,57
6	10345,46	30	9977,37	85	8203,62	210	2865,78
7	10338.24	32	9930,72	90	8011,18	220	2414,22
8	10330,26	34	9882,08	95	7815,70	230	1961,54
9	10321,51	36	9831,53	100	7617,43	240	1508,37
10	10312,00	38	9779,17	ПО	7213,42	250	1055,06
12	10290,74	40	9725,10	120	6800,75	, 260	601,22
14	10266,54	45	9582,97	130	6380,82	270	145,31
16	10239,47	50	9431,95	140	5954,83	273	7,72
18	10209,62	55	9273,16	150	5523,84		
20	10177,98	60	9107,60	160	5088,65		
Таблица IX.15
Градуировочная таблица термопары хромель—золото + 1,9%
кобальта в интервале от 2 до 273 К, Свободные концы при
273,16 К [/5]
т, к	-Е, мкВ	т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ
2	13812,95	22	13559,52	65	12123,16	170	6498,16
3	13809,52	24	13515,72	70	11905,07	180	5892,20
4	13804,98	26	13469,10	75	11679,32	190	5278,99
5	13799,37	28	13419,75	80	11446,53	200	4659,30
6	13792,70	30	13367,79	85	11207,24	210	4033,88
7	13785,00	32	13313,32	90	10961,99	220	3403,51
8	13776,29	34	13256,42	95	10711,23	230	2768,92
9	13766,59	36	13197,20	100	10455,38	240	2130,85
10	13755,93	38	13135,74	110	9929,91	250	1490,01
12	13731,77	40	13072,11	120	9388,22	260	847,16
14	13704,00	45	12904,12	130	8832,42	270	203,29
16	13672,74	50	12724,25	140	8264,25	273	10,12
18	13638', 16	55	12533,54	150	7685,09		
20	13600,37	60	12332,90	160	7096,07		
330
Таблица IX.16
Градуировочная таблица термопары «нормальное серебро» —
золото + 1,9% кобальта в интервале от 2 до 273 К.
Свободные концы при 273,16 К [/5]
Т, к	Е, мкВ	г, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкР	f, К	Е, мкВ
2	10149,20	22	9930,48	65	8757,60	170	4554,98
3	10146,16	24	9893,25	70	8585,88	180	4120,76
4	10142,16	26	9853,74	75	8409,38	190	3683,87
5	10137,23	28	9812,08	80	8228,56	200	3244,65
6	10131,38	30	9768,37	85	8043,85	210	2803,51
7	10124,64	32	9722,71	90	7855,61	220	2360,90
8	10117,04	34	9675,20	95	7664,17	2'30	1917,41
9	10108,58	36	9625,92	100	7469,83	240	1473,66
10	10099,31	38	9574,97	НО	7073,42	250	1030,08
12	10078,35	40	9522,42	120	6668,23	260	586,51
14	10054,33	45	9384,54	130	6255,76	270	141,48
16	10027,39	50	9238,23	140	5837,28	273	7,20
18	9997,68	55	9084,44	150	5413,80		
20	9965,34	60	8924,00	160	4986,16		
породностью хромелевого электрода и достигают 150 мкВ при тем-
пературах, близких к —200° С Погрешности, вызванные этой при-
чиной, могут достигать =±2,5° С для хромель-копелевых термопар
и zt5° С для хромель-алюмелевых термопар. Градуировка термо-
пар для интервала, расширенного в область низких температур,
приведена в табл. IX. 10.
Термопары из манганина и константана, манганина и копеля.
В табл. IX. 18 приведены сведения о термоЭДС этих термопар. Гра-
дуировка проведена для ветвей диаметром 0,2 мм; точность обеспе-
чения температуры свободных концов при градуировке zt0,01 К
124].
Термопары хромель—золото + 0,035 железа, медь—золото +
+ 0,035% железа, медь—золото + 0,07% железа. Сплавы золота^
легированные 0,07% железа, применяются в термопарах для из-
мерений в температурной области 2 — 273 К [12]. При исполь-
зовании хромеля во второй ветви чувствительность мало изме-
няется во всем температурном диапазоне. Термопары обладают
высокой воспроизводимостью: например, различие в термоЭДС де-
вяти контрольных термопар не превышало 0,3 К. Небольшие от-
клонения концентрации легирующей примеси железа несуществен-
но изменяют термоЭДС. Погрешность в определении температуры
при использовании градуировочных таблиц IX. 19 и 1Х^ 20 не пре-
вышает 0,005 К [14].	, •
Градуировка термопар золото + 0,035% железа со вторыми
ветвями из меди и хромеля приведена в табл. IX.21 и IX.22.
331
Таблица IX.17
Градуировочная таблица термопары медь — ко пё ль.
Свободные концы при 0° С [9]
t °C	Е, мВ	а, мкВ	вс	Е, мВ	а, мкВ
50	2,268	47,2	-70	—2,740	34,5
40	1,796		-80	-3,085	
		46,4			33,3
30	1,332		-90	—ЗД18	32,0
		45,4			
20	< 0,878		—100	—3,738	
		44,4			30,7
10	0,434	43,4	-ПО	—4,045	
					29,5
0	0,000		-120	-4,340	
		42,4			28,0
-10	—0,424		-130	—4,620	26,7
		' 41,4			
—20	—0,838		—140	-4,887	
		40,3			25,3
-30	-1,241	39,2	-150	—5,140	
					23,9
-40	-1,633		-160	—5,379	
✓		38,0			22,4
-50	—2,013		— 170	' -5,603	
		36,9			21,0
-60	—2,382		-190	-5,813	
		35,8			19,4
			-200	—6,007	17,9
					
				—6,186	
Термопары хромель-золото + 0,035% железа рекомендуется ис-
пользовать для всего низкотемпературного интервала, термопары
медь — золото + 0,035% железа целесообразно применять для темпе-
ратур ниже 60 К. Эта пара нечувствительна при температурах,
близких к 0° С (а = 1,3 мкВ/K), и, следовательно, небольшие коле-
бания температуры свободных концов не приводят к существенной
погрешности. Медь .как термоэлектрический материал более однород-
на по сравнению с хромелем, поэтому следует ожидать, что по-
грешности, вызванные неоднородностью, при использовании медных
ветвей будут меньше.
Термопары медь — медь 4-0,15 % железа, хромель — медь +
4-0,15% железа. Как и для сплавов золота, малые добавки пере-
ходных 3d металлов в медь приводят к возрастанию термоЭДС
при низких температурах (эффект Кондо).Значения термоЭДС термопар,
332
Таблица IX.18
Градуировочная таблица термопар манганин—константан
и манганин—копель в интервале от 14,42 до 270,19 К.
Свободные концы при 273,15 К [24]
Т, к	Е, мкВ		<• Т( к	Е, мкВ	
	Манганин— константан	Манганин— копель		Манганин- константан	Манганин— копель
14,42	5700,4	6742,4	102,13	4678,6	5530,1
15,70	5695,0	• 6736,9	121,57	4308,8	5091,8
21,63	5664,8	6701,8	141,46	3884,7	4589,9
31,53	5598,5	6624,2	162,14	• 3394,7	4011,8
41,25	5515,7	6526,2	180,80	2912,2	3441,8
50,98	5416,1	6407,3	200,66	2355,6	2787,8
60,47	5305,6	6277,0	220,43	1761,8	2089,8
69,76	5184,5	6132,4	240,33	1122,9	1340,2
82,60	5001,7	5913,1	260,23	447,1	547,3
92,39	4845,7	5728,1	270,19	93,9	133,2
Таблица IX.19
Градуировочная таблица термопары медь — золото + 0,07%
железа в интервале 2 — 273 К. Свободные концы при 273,16 К [14]
Т, К	Ef мкВ	т, к	Е, мкВ	Т, К	Е, мкВ	Л К	Е, мкВ	Т. к	Е, мкВ
2	1729,90	20	1477,31	55	1066,66	140	463,64	270	‘8,12
а	1718,62	22	1449,36	60	1018,62	150	414,41		
4	1706,58	24	1422,08	65	972,62	160	368,30		
5	1693,90	26	1395,45	70	928,37	170	325,64		
6	1680,67	28	1369,47	75	886,12	180	284,37		
7	1666,97	30	1344,02	80	845,60	190	246,10		
8	1652,91	32	1319,12	85	806,70	200	210,06		
9	1638,54	34	1294,76	90	769,33	210	176,12		
10	1623,96	36	1270,91	95	733,39	220	144,17		
12	1594,39	38	1247,56	100	698,82	230	114,10		
14	1564,65	40	1224,69	ПО	633,48	240	85,76		
16	1535,07	45	1169,48	120	572,79	250	58,93		
18	1505,91	50	1116,88	130	516,31	260	33,24		
333
Таблица IX.20
Градуировочная таблица термопары хромель — золото + 0,07%
железа в интервале 2—273 К. Свободные концы при 273,16 К [14]
Т-к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ ।	г, К	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ
2	5262,72	18	5016,40	45	4572,84 I	НО	3424,30	230	948,13
3	5251,15	20	4982,64	50	4491,09	120	3232,53	240	729,14
4	5238,61	22	4949,01	55	4408,47	130	3037,44	250	509,07
5	5225,25	24	4915,57	60	4324,78	140	2839,21	260	288,58
6	5211,18	26	4882,35	65	4239,88	150	2638,04	270	68,87
7	5196,52	28	4849,34	70	4153,82	160	2434,16	273	3,37
8	5181,35	30	4816,52	75	4066,37	170	2227,79		
9	5165,76	32	4783,86	80	3977,75	180	2019,18		
10	5149,83	34	4751,32	85	3888,00	190	1808,53		
12	5117,19	36	4718,86	90	3797,18	200	1595,99		
14	5083,87	38	4686,44	95	3705,37	210	1381,69		
16	5050,20	40	4654,03	100	3612,59	220	1165,71		|
Таблица IX.21
Градуировочная таблица
термопары медь — золото +
-}-0,035% железа в интервале
2—273 К. Свободные концы при
0°С [52]
т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ
2,11	1267,1	43,46	773,1
2,45	1266,2	53,56	693,7
3,14	1254,8	65,18	614,0
3,42	1251,2	77,67	538,9
4,24	1239,7	85,67	496,4
12,81	1118,1	95,68	446,8
14,03	1100,1	106,45	398,1
16,10	1070,0	122,64	331,2
18,40	1038,0	141,97	266,6
21,75	994,0	167,09	194,1
24,60	959,1	182,48	155,8
29,02	909,2	212,54	92,0
35,40	844,7	240,01	43,9
39,83	804,1	273,15	0,0
Таблица IX.22
Градуировочная таблица
термопары хромель—золото-}-
}-0,035% железа в интервале
2—273 К. Свободные концы
при 0° С [52]
т, к	Е, мкВ	т, к	Е, мкВ
2,37	4866,3	. 56,98	4057,5
3,19	4857,7	66,81	3914,3
4,21	4844,8	77,59	3751,1
12,42	4713,4	87,96	3588,5
15,17	4668,0	99,77	3395,9
18,42	4615,0	119,08	3066,3
20,33	4584,6	139,99	2691,2
. 24,59	4518,4	160,33	2310,9
29,18	4450,1	179,76	1934,9
34,52	4373,5	199,27	1546,7
36,81	4341,1	219,33	1136,8
41,02	4282,2	239,25	721,4
45,86	4214,5	259,25	298,8
51,10	4141,2	273,09	2,1
334
где в качестве одной из ветвей взяты медь и хромель, а
другой —медь, легированная железом, приведены на рис. IX.3,
коэффициенты термоЭДС для этих термопар — на рис. IX.4. Чув-
Рис. IX.3. Зависимость термоЭДС от температуры для термо-
пары:
1 — хромель медь 4- 0,15% железа; 2 — хромель — медь-|-0,07% железа;
3 — медь—медь 4- 0,15 % железа. Свободные концы при 273,16 К [2].
Рис. IX.4. Зависимость коэффициента термоЭДС от температу-
ры для термопар:
1 — хромель — медь + 0,15% железа; 2 «— хромель ** медь 4-0,07% же-
леза* 3 — медь®* медь4-0,15% железа [2].
Рис. IX.5. Зависимость коэффициента тер-
моЭДС термопар Pd + 0,8% Сг 4- 0,6% Ru —
Au 4-0,07% Fe от температуры [4].
Рис IX.6. Зависимость термоЭДС от темпе-
ратуры для термопар Pd 4-0,8% Сг4-
4- 0,6% Ru - Au 4- 0,07% Fe ]4].
ствительность в области температур 10—273 К термопар с ветвями
из меди 4-0,15% железа несколько выше, чем у меди 4-0,07%
железа. Термопары могут быть использованы для измерений
от низких до комнатных температур [2].
335
Термопары палладий + хром-f-рубидий — золото -f- железо. Элек-
троды термопары имеют следующий состав: палладий 4 0,8% хрома +
+ 0,6% рубидия — золото+ 0,07% железа. Обладают бблыпим коэф-
фициентом термоЭДС в интервале от 2 до 100 К по сравнению с
другими типами термопар. При повышенных температурах термоЭДС
резко убывает, что уменьшает погрешности, обусловленные не-
стабильностью температуры термостатированного спая. Градуировка
приведена на рис. IX.5 и IX.6.
2.	Среднетемпературные термопары
Термопары с электродами из железа и константана, хромеля и кон-
стантана. Термопара железо — константан широко используется в
промышленности [10, 22]; она имеет большую чувствительность, наде-
жна, может применяться в окислительных (до 750° С) и восстанови-
тельных (до 1000° С) атмосферах. При достаточно больших сече-
Рис. IX.7. Зависимость термоЭДС от температуры для термопар
хромель — константан в интервале от — 200 до 1000° С. Свобод-
ные концы при 0°G [24].
Рис. IX.8. Зависимость коэффициента термоЭДС для термопар
хромель — константан в интервале от —200 до 1000е С [24].
ниях электродов срок службы составляет около 1000 ч. Стаби-
льность и воспроизводимость удовлетворительные до 500° С. Погреш-
ность измерения температуры 0,1—0,5е G при температурах ниже
300°С и 1—3° С при температурах выше 300° С. Термопара относи^-
тельно стабильна при облучении нейтронами. Градуировка термо-
пары железо — константан приведена в табл. IX.10.
Термопару хромель — константан удобно применять в тех слу-
чаях, когда "необходимы высокий коэффициент термоЭДС й низкая
336
Таблица IX.23 .
Ориентировочные сведения о термопарах* содержащих палладий. Свободные концы при 0° С [57]
Примерный химический состав	4	ТермоЭДС, мВ, при температурах, °C											
	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
Паллаплат Pt + 5% Rh — Au + 46% Pd + 2% Pt	2,9	6,5	10,6	15,1	19,8	24,7 .	29,9	35,1	40,4	45,5	50,5	55,5
Pt + 10% Rh —TAu + 30% Pd + 10% Pt	3,0	6,4	10,6	15,1	20,0	25,0	30,4	35,7'	41,0	46,4	51,8	57,1
Pt + 10% Rh — Au + 40% Pd	4,3	8,9	13,3	18,6'	24,2	29,8	35,6	41,3	46,9	52,6	57,0	63,8
Палладор I Pt + 10% Rh — Au + 40% Pd	4,9	10,3	15,4	21,2	27,2	39,6	39,9	46,2	52,4	58,5	63,6	70,9
	Платинель II Pd + 14% Pt + 3% Au — Au + 35% Pd	3,6	7,6 .	12,1	16,3	20,8	25,2	29,4	33,6	37,5	41,2	44,6	48,0
Платинель II Pd + 31 % Pt + 14% Au — Au + 35% Pd	3,3	7,1	11,3	15,7	20,2	24,7	29,1	33,4	37,6	41,6	45,4	49,0
ПИП Pt + 15% Ir — Pd	1,8	4,3	6,7	9,4	12,0	15,1	18,5	22,1 ,	26,1	30,1	34,3	38,6
теплопроводность ветвей. Максимальная рабочая температура в оки-
слительной атмосфере — около 1000° С. Погрешность измерения тем-
пературы менее 1° С при температурах ниже 300° С; в диапазоне
300—1000° С погрешность составляет ориентировочно 1—3° С. Зависи-
мость термоЭДС от температуры горячего спая приведена на рис.
IX. 7, зависимость коэффициента термоЭДС от температуры — на
рис. IX.8.
Термопары с электродами из сплавов, содержащих палладий.
Разработаны в качестве заменителя термопар платинородий — плати-
на. Среди них термопары типа паллаплат с положительными элек-
тродами из сплавов платины с добавками родия, иридия и отрица-
тельными ветвями из сплавов золото +(30—40)% палладия, легирован-
ных платиной или никелем. ‘ '
Термопары платинель I и платинель II разработаны для изме-
рений температуры газотурбинных двигателей. Платинели имеют
высокую стабильность до 1300° С, после 1000 ч их градуировка
изменяется всего на несколько градусов. Термопары стабильны и
в других атмосферах (в смеси влажного водяного пара с углеки-
слым газом и в водороде).
Термопары платинородий — палладий разработаны для измере-
ния температур до 1400° С. Сведения о перечисленных термопарах
приведены в табл. IX.23, градуировка термопары платинель II — в
табл. IX.24.
Термопары на основе палладиевых сплавов разработаны и для
использования в качестве датчиков электроизмерительных приборов.
Применяются также термопары серебро — палладий [37].
Таблица IX.24
Градуировочная таблица термопары платинель II. Свободные
концы при 0° С [57]
	ТермоЭДС, мВ									
t°, с	0	10	20	30	40	50	60 |	70	80	90
0	0,00	0,31	'0,63	0,94	1,26	1,58	• 1,92	2,26	2,61	2,96
100	3,30	3,66	4,02	4,40	4,70	5,15	5,54	5,93	6,32	6,71
200	7,12	7,52	7,93	8,34	8,75	9,17	9,58	10,01	10,43	10,86
300	11,22	11,72	12,15	12,58	13,02	13,46	13,90	14,34	14,78	15,22
400	15,67	16,11	16,56	17,01	17,46	17,90	18,35	18,80	19,26	19,71
500	20,16	20,61	21,08	21,51	21,86	22,41	22,86	23,31	23,86	24,21
600	24,66	25,11	25,66	26,02	26,46	26,91	27,36	27,80	28,24	28,68
700	29,12	29,56	30,00	30,47	30,87	31,30	31,78	32,16	32,59	33,01
800	33,44	33,86	34,28	34,70	35,12	35,54	35,95	36,36	36,78	37,19
900	37,59	38,00	38,40	38,81	39,21	39,60	40,00	40,40	40,79	41,18
1000	41,57	41,96	42,34	42,73	43,11	43,49	43,86	44,24	44,61	44,98
1100	45,85	45,12	46,09	46,46	46,81	47,17	47,53	47,88	48,24	48,59
1200	48,94	49,28	49,63	49,94	50,31	50,65	50,98	51,32	51,65	51,98
1300	52,31	—	—	—	—	—	—	—	—	—
338
3.	Высокотемпературные термопары
Это термопары относительно кратковременного использования. Их
стабильность нарушается из-за высокой подвижности и активности
атомов любых элементов при высоких температурах [9,11], приводя-
щих к взаимодействию материалов электродов с окружающей средой
[34, 37] и диффузии материала одной ветви в другую. Укрупнение
зерен при повышенной температуре также приводит к нестабильно-
сти, поэтому предлагается использовать ветви из монокристаллов
[36]. Причиной нестабильности является также различная интенсив-
ность испарения компонентов сплавов электродов, поэтому целесо-
образно применять несоставный чистый материал, испарение которого
не должно изменять термоЭДС
бильность нарушаются и из-за
избирательного поглощения га-
зов материалами электродов.
Поэтому большинство высоко-
температурных термопар имеют
Рис. IX.9. ТермоЭДС термопар
на основе платины и родия:
/ — Pt — Rh; 2-Pt-Pt-f-8%Rh;
3 - Pt — Pt + 10% Rh; 4 - Pt 4-
+ 6% Rh - Pt + 30% Rh? R - Rh -
Rh + 8% Re; 6 PJ 4 £o% Rh -
Pt + 40% Rh [9].
го]. Механические свойства и ста-
узкие области применения как по температурному диапазону и вре-
мени работы, так и по условиям работы (вакуум, инертная атмо-
сфера, восстановительная среДа и т. д.).
Термопары из платины и родия. Используются для измерений
температур в интервале 0—1800° С. Соотношения платины и родия
могут быть различными. Термопара 90% Pt +10% Rh является
стандартной для международной шкалы температур.
В начальные периоды времени при использовании исходных
материалов высокогр качества можно воспроизводить температуру
с точностью 0,1° С до 1100° С. При длительных выдержках диффу-
зия ро^ия в платину ухудшает показания. Уменьшение этого эф-
фекта достигается добавлением к платиновому электроду родия.
Применение родия в двух ветвях улучшает также прочность термо-
пар при высоких температурах. В качестве изоляционных и защит-
ных материалов могут использоваться А12О3 и ВеО, наличие крем-
незема недопустимо [7, 9, 22, 35]. Сведения о термопарах приведе-
ны в табл. IX.5, IX.7, IX. 10. IX.25 и на рис. IX.9.
Термопара из Pt+ 20% Rh — Pt+ 40% Rh с защитной оболоч-
кой из окиси алюминия до 1800° С обладает нестабильностью не бо-
лее 10° С. Термопару с электродами такого состава можно применять
для измерений и до 1900°Ct развиваемые ЭДС при 1500° С—3,18 мВ,
при 1600°С— 3,61 мВ, при 1700°С—4,07мВ, при 1800°С —4,53мВ.
Термопары с электродами из Pt + 5% Rh — Pt+ 20% Rh при
температуре 1500° С развивают 9,62 мВ, при 1600° С—10,59, при
1700° С —11,57 мВ, при 1800° С —12,55 мВ; после 15 ч работы при 2500° С
они изменяют показания не более чем на 9° С. Термопары из Pt +
+ 6% Rh — Pt+30% Rh после 200 ч работы при 1500° С изменяют пока-
339
340
Таблица IX.25
Сведения о высокотемпературных термопарах и их градуировка [9]
Термопара	Интервал температур, °C	Рекомендуемая среда	Градуировка	Стабильность	Дополнительные сведения
Pt — 90% Pt + + 10% Rh	0—1600	Может рабо- тать в оки- слительной атмосфере	16 мВ при 1600° С	Изменение градуиров- ки на 1,5°С после 200 ч при максималь- ной температуре	Термопарой воспро- изводится междуна- родная температурная шкала в пределах 630,5—1063 °C
80% Pt+20% Rh— 60% Pt + 40% Rh	1000—1800	То же *	2 мВ при 1000° С, 5 мВ при 1800° С, характеристика линейная в ин- тервале 500— 1500°С -	Изменение градуиров- ки на 6° С после 10 ч, на 9° С после 200 ч при максимальной тем- пературе	г
95% Pt + 5%Rh— 80% Pt + 20% Rh	300—1800	» »	1,5 мВ при 300° С, 13 мВ при 1800° С	Изменение градуиров- ки на 4° С после 10 ч, на 6° С после 200 ч при максимальной темпе- ратуре	
94% Pt-|-6%Rh- 70% Pt + 30% Rh	300—1800	*» »	0,45 мВ при 300° С, 14 мВ при 1800° С	То же	Наиболее стабильная термопара платиновой группы
Rh—80% Pt 4- 4-20% Rh	0—1800		6,75 мВ при 1800°С	Изменение градуиров- ки на 90° С после 10 ч при максимальной тем- пературе	Неустойчивая
Rh — 70% Pt 4- 4-30% Rh	0-1800	» »	4,6 мВ при 1800°С	Изменение градуиров- ки на 66° С после 10 ч при максимальной тем- пературе	—
Rh —92% Pt 4- 4-8% Rh	100—1800	Может рабо- тать в окисли- тельной атмо- сфере	21 мВ при 1800° С	Изменение градуиров- ки на 55° С после 10 ч при максимальной тем- пературе	Неустойчивая
W—Mo •	1300—2400	Вакуум, инер- тная и восста- новительная среды	3,8 мВ при 2400° С; зави- симость термо- ЭДС от темпе- ратуры линей- ная выше 1600°С	Изменение градуиров- ки после 10 ч работы на 30° С	
W — 50% W 4- 4-50% Mo	1000—2900	Вакуум, инерт- ная атмосфе- ра	20 мВ при '2900° С		При наличии водоро- да, Т-излучения и не- йтронов образует гид- рид вольфрама. В от- сутствие механичес- ких воздействий могут использоваться рекри- сталлизованные ветви
Продолжение табл, IX.25
Термолара	Интервал температур, °C	Рекомендуемая среда	Градуировка	Стабильность	Дополнительные сведения
W — 75% W + ’ +25% Мо	1200—2800	Вакуум, инерт- ная атмосфера	6 мВ при 2800° С		♦ При наличии водоро- да, 7-излучения и нейтронов образует гидрид вольфрама. В отсутствие механи- ческих воздействий могут использоваться рекристаллизованные ветви
85% W — —15% Re + +80% 'V	200—2700	Вакуум или нейтральная среда	0,25 мВ при 200° С, 8 мВ при 2700°С	Изменение градуиров- ки на ,10° С после 10 ч, на 12° С после 100 ч, на 40° С после 1000 ч	Хорошо работает в среде водорода
W — 75% W + +25% Re	500—2500	—	5 мВ при 500° С, 40 мВ при 2500° С	*	При наличии водоро- да, 7-излучения и нейтронов образует гидрид вольфрама. В отсутствие механи- ческих воздействий могут использоваться рекристаллизованные ветви
co Co	95% W + 5% Re— 80% W + 20% Re	100—2700	Вакуум, инерт- ная, слабовос- становительная среда	1,25 мВ при 100° С, 37 мВ при 2700°С /	Изменение градуиров- ки на 15° С после 10 ч, на 18° С после 100 ч, на 43° С после 1000 ч. Работает  устойчиво до 1800°С	Изменяет показания в среде водорода
	90% W + 4-10% Re — —80% W + 4-20% Re	100—2700	То же	1,005 мВ при 100° С, 29 мВ при 2700° С	Изменение градуиров- ки на 13° С после 10 ч, на 14° Q после 100 ч, на 42° С после 1000 ч	Становится механи- чески более устой- чивой после работы при максимальных температурах
	85% W + 4-15% Re — 80% W 4- 20% Re'	200—2700	Вакуум или нейтральная среда	0,25 мВ * при 100° С, 8 мВ при 2700° С	Изменение градуиров- ки на 10° С после 10 ч, на 12° С после 100 ч, на 40е С после 1000 ч	Хорошо	работает в среде водорода
	W—Ir	0—2100	Инертная (ге- лий)	41,5 мВ при 2100° С	Стабильна в течение 120 ч при 2100° С, градуируется с точ- ностью ±6° С	
	,W—Nb	350—2000	Вакуум	—	—	Непригодна в среде Не, нестабильна из-за поглощения газа ни- обием
CO
Продолжение табл, IX .25
Термопара	Интервал температур, °C	Рекомендуемая среда	Градуировка	Стабильность	Дополнительные сведения
W — Та	400—2000	Вакуум	2 мВ при 400° С, 20 мВ при 2000° С	—	При длительном ис- пользовании необхо- дим вакуум 10~5 мм рт. ст. При повышен- ных температурах по- глощает остаточные газы /
С —W	500—1800	Вакуум или нейтральная среда	10 мВ при 1800° С, ОмВ при 500° С	—	Образуется карбид вольфрама, изменяю- щий термоЭДС
Pt-R?	100—1600	Инертная среда	0,5 мВ при 100° С,- 30 мВ при 1600° С	Изменение темпера- туры на 1,5° С после 10 ч при максимальной температуре	Может кратковремен- но использоваться в вакууме
1г _ 60% 1г + +40% Rh	0—2000	Инертная, сла- боокислитель- ная среда	10 мВ при 2000° С	Изменение температу- ры на 4° С после 10 ч при максимальной тем- пературе	После длительного пребывания в восста- новительной атмосфе- ре становится хруп- кой
В вакууме иридий испаряется сильнее, чем родий 		Тантал становится хрупким при взаимо- действии с водородом в интервале темпера- тур 230—650° С
Изменение температу- ры на 5° С после 10 ч при максимальной тем- пературе	1
0,2 мВ при 300° С, 10,35 мВ при 2100° С	19 мВ при 2400° С
Инертная, сла- ббокислитель- ная среда	Вакуум
о о CN О О со	0—2400
1г — 40% 1г + +60% Rh	Та — Мо
зания не более чем на 4° С. Могут исполь-
зоваться и термопары, у которых одна ветвь
из родия, вторая — из сплавов платины с ро-
дием. При не очень больших температурах
такие термопары обладают высокой стабиль-
ностью: после 100 ч при 1500° С у термопар
из Rh — Pt + 20% Rh изменения показаний
не превышали 0,07%, после 1500 ч они до-
стигали 1% [9].
Термопары из вольфрама и молибдена.
Термопары из W — Мо получили большое
распространение благодаря их низкой стои-
мости и возможности проведения измерений
при'повышенных температурах (до 2400° С).
К их недостаткам относят низкие значения
термоЭДС, изменение знака термоЭДС при
температурах около 1200° С, зависимость
термоэлектрических характеристик от партий
проволок, нестабильность при высоких тем-
пературах [20]. Сведения о градуировке
приведены в табл. IX.26. Для кратковремен-
ных измерений температуры расплавленных
металлов разработан термоэлектрический
термометр ЦНИИЧМ-1 [8] W — Мо +5% А1,
не имеющий инверсии термоЭДС. В интервале
температурО—100° С развивает незначитель-
ную термоЭДС и может применяться без
компенсации свободных концов. Из-за выго-
рания алюминия не может использоваться
при длительных измерениях температуры.
Термопары с ветвями из молибдена и спла-
вов вольфрам—молибден используются для
измерений до 2900° С; ветви необходимо за-
щищать инертной атмосферой или помещать
в вакуум (см. табл. IX.25). Сведения о тер-
мопарах Та — Мо и Мо—Ti приведены на
рис. IX.10.
Термопары из вольфрама и рения. При
использовании ветвей из чистых вольфрама
и рения могут измеряться температуры до
2400° С в инертной атмосфере или вакууме.
Обычно применяется: рениевая проволока вы-
сокой степени чистоты диаметром 0,6 мм.
Спай изготовляется в инертной атмосфере
дуговой сваркой. Более стабильны термо-
пары, где применены сплавы рения и воль-
фрама,— улучшаются механические свойства
и надежность, достигаются более высокие
температуры измерения (до 2900° С) [8, 9, 17,
33, 35]. Исследованы термопары из сплавов,
содержащих 5, 10, 15, 20% рения (ВР 5,
ВР 10, ВР 15, ВР 20). Термопара ВР 15/20
при 1800° С в течение 350 ч изменила показа-
ния на 15° С [9]. Установлено, что фазовый
345
Таблица IX.26
Градуировочная таблица термопары вольфрам—молибден. Свободные
концы при 0° С [20]
&
t, °C	Е, мВ	С	Е, мВ	с	Et мВ
50	—0,27	800	—1,77	1450	0,60
100	—0,546	900	—1,62	1500	0,92
150	—0,75	1000	—1,40	1550	Г,25
200	—0,96	1050	—1,26	1600	1,58
250	—1,14	1100	—1,08	1650	1,92
300 *	—1,31	1150	—0,90	1700	2,29
400	—1,56	1200	—0,69	1750	2,67
500	—1,73	1250	—0,47	1800	3,08
600	—1,82	1300	—0,24	1850	3,48
650	—1,84	1350	0,05	1900	3,88
700	—1,83	1400	0,30		
состав после температурных воздействий изменяется незначительно.
При высоких температурах в сплавах наблюдается возрастание кон-
центрации рения из-за испарения вольфрама. Для стабилизации
электродов из сплавов применяется температурный отжиг. В работе
Рис. 1Х.Ч0. ТермоЭДС термопар Та — Mo (1) и Mo — Ti (2) [9].
Рис. IX.11. ТермоЭДС термопар из вольфрама и рения:
/ _ Re — W; 2 — W + 5% Re — W 4- 20% Re; 3 — W 4- 10% Re 4- 20% Rej
4 — Re— W 4- 30% Re [9].
[9] всесторонне исследовано влияние различных сред и огнеупорных
материалов на стабильность вольфрам-рениевых электродов.
Термопары из сплавов рения и вольфрама могут применяться
для кратковременных измерений до 2500° С в углеродной атмосфере
без специальной защиты. Сведения о свойствах термопар приведены
в табл. IX.25 и на рис. IX.11.
Термопары с электродами из вольфрама и иридия надежны при
измерениях температур до 2100° С. ТермоЭДС при этой температуре
346
составляет 41,5 мВ, температурная зависимость термоЭДС почти
линейная. Стабильность высокая, термоЭДС сохраняется постоянной
в течение 120 ч в атмосфере гелия при 2100° С. В окислительной
среде необходимо вокруг вольфрама создать защитную атмосферу.
Термопара с электродами из вольфрама и графита имеет простую
конструкцию — это графитовая труба с помещенным внутри воль-
фрамовым стержнем. Можно производить измерения температуры
в расплавленных металлах даже при разрушении горячего спая за-
мыканием электродов расплавом. Разработана технология получения
углеграфитовых электродов с заданными термоэлектрическими пара-
метрами [9].
Рис. IX. 12. ТермоЭДС термопар из тугоплавких сплавов, содержа-
щих вольфрам:
1 _ w — Та; 2 — W — Ti [9].
Рис. IX. 13. ТермоЭДС термопар
щих рений:
/ — Re — Мо; 2 Re — Мо + 50% Re
из тугоплавких сплавов, содержа-
[9].
Сведения о других термопарах (W — Nb, W — Та, W — Ti) при-
ведены в табл. IX.25 и на рис. IX. 12.
Термопары с электродами, содержащими рений. В зависимости
от компонентов эти термопары могут применяться для измерения
при различных, в том числе и значительных, максимальных темпера-
турах. Термопара из Re + 10% Ru — Re +12% W сохраняет высо-
кую чувствительность при температурах до 2500° С. Вариант такой
термопары использовай для определения температуры сопл реак-
тивных двигателей и головок управляемых снарядов при входе
в плотные слои атмосферы. Для измерений при очень высоких тем-
пературах рекомендованы термопары Re — W + 30% Re и Re — Мо +
+ 50% Re. Сплавы, содержащие рений, сохраняют удовлетворитель-
ные механические свойства при высоких температурах, поэтому тер-
мопары на их основе применяются в ' условиях повышенных вибро-
и ударных воздействий. Свойства некоторых термопар приведены
в табл. IX.25 и на рцс. IX. 13 [9].
Термопары с электродами из иридия и родия. Эти термопары
наряду с вольфрам-иридиевыми являются одними из самых надежных.
Максимально измеряемые температуры — до 2100° С, точность ± 10° С..
При 1400°С значение термоЭДС — 7,55 мВ, при 1600° С—8,66, при
347
1800°C—9J9, при 2000° С—10,94 мВ [9]. Для работы термопар не-
обходима защитная атмосфера; кратковременно могут использоваться
и на воздухе В слабоокислительных средах могут работать продол-
жительное время: в среде, содержащей 2% кислорода, при темпера-
туре 2000° С параметры изменяются несущественно в течение 50 ч.
На воздухе при этой же температуре термопара разрушается за 12 ч.
Фирмой «Engelhard Industries» (США) рекомендованы также термо-
пары 1г—1г+ 50% Rh и 1г —1г+ 40% Rh. Сведения о термопарах
приведены в табл. IX.25 и на рис. IX; 14.
Термопары с электродами на основе силицидов, боридов, кар-
•бидов и керамик. Подходящими материалами для электродов явля-
ется силициды некоторых переходных металлов: MoSi2, WSi2, ReSi2.
Рис. IX. 14. ТермоЭДС термопар
с электродами из иридия и ро-
дия: _
/ Ir _ Rh ± 30% 1г; 2 — Ir — Rh ±
± 30% Ir; 3 — Ir Rh « 40% Ir [9].
Образующийся при нагреве SiO2 покрывает ветвь защитным стекло-
образным слоем [31]. Целесообразно применение боридов (ZnB2, СгВ2)
и карбидов (TiC, ZrC, NbC, ТаС, HfC) переходных металлов. На их
основе в СССР созданы термопары: MoSi2 — WSi2 (ТМСВ-34 ОМ)
для измерения температур газовых агрессивных сред и расплавов
до 1700° С (коэффициент термоЭДС при температурах выше 600° С
около 8 мкВ/K), С — ZrB2 (ТГБЦ-35 ОМ) для измерения температур
металлических сплавов до 1800° С и науглероживающих газовых
сред до 2000° С, С — TiC (ТГБЦ-35 ОМ) для измерения температур
до 2500° С в вакууме и различных газовых средах. ТермоЭДС тер-
мопар на основе карбидов линейно изменяется с температурой выше
450—500° С, коэффициент термоЭДС около 65 мкВ/K. Термопары
из ZrC — NbC и NbC — HfC перспективны для измерения температур
до 2500—3000° С [9].
Разработаны термопары на основе керамики и тугоплавкого
сплава (вольфрам + 2%-пая окись тория — карбид кремния с добав-
кой азота). Диапазон измеряемых температур 20—2000° С, стабиль-
ность ±0,5% после 25 ч работы при 1500—2000° С, термоЭДС при
2000° С около 350 мкВ.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Астров Д. Н., Белянский Л. Б. Измерение низких температур. Физика
низ. температур, 1976, 2, № 7,- с« 821—848.
2.	Бейлин В. А1., Левин И. Яч Медведева Л. А. и др. Термопара для низких
температур с электродом из сплава медь ± железо.*— ПТЭ, 1972, № 6,
с. 215—216.
3.	Бейлин В. М.( Лапп Г. Б.; Павлов Б. П. и др. Термопара медь — копель _
для измерения низких температур.—Измер. техника, 1975, № 6, с. 35—36.
4.	Бейлин В. Л4., Медведева Л. А., Рогельберг И. Л., Тарасова Т. Ф. Высоко-
чувствительная термопара Pd ± Сг ± Ru/AuFe для измерения температур
2 —200° ПТЭ* 1976» № 1* с. 229—230.
348
5.	Бродский А. Д. Новые методы измерения низких температур.—М л Лл
Стандартгиз, 1962.-—131 с.
6.	Голубев А. В. Измерение и регистрация температуры в грунтах с помощью
термоэлементов.—М. * Наука, 1964.—147 е.
7.	Гордое А. Н. Основы пирометрии.— М.: Металлургия, 1964,—471 с.
8.	Данишевский С. К. О термопарах погружения.— Завод. лаб., 1958, № 12,
с. 1470—1475.
9.	Датчики для измерения температуры в промышленности/ Г. В. Самсонов, ’
А. И. Киц, О. А. Кюздени и др.—Киев: Наук, думка, 1972.—224 с.
10.	Кей Д., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных.—М.: Физ-
матгиз, 1962.—246 с.
И. Кислый П. С. Перспективы использования тугоплавких соединений для
создания высокотемпературных термопар.— Порошковая металлургия, 1962,
№ 4, с. 50—55.
12.	Медведева Л. А., Орлова М. П.< Рабинькин А. Г. Термопара для измерения
низких температур.— ПТЭ, 1970, № 5, с. 208—210.
13.	Медведева Л. А., Орлова М. n.t Алексахин И. А., Духовлинова Н. Д. Изме-
рение низких температур термопарами на основе сплава золота а кобаль-
том.—Тр. ВНИИ физ.-техн. и радиотехн. измерений, 1973, вып. 4, с. 154—
180.
14.	Медведева Л. А., Орлова М. П.9 Рабинькин А. Г. Измерение низких темпе-
ратур термопарами на основе сплава золота с железом.— Тр. ВНИИ физ.-
техн. и радиотехн. измерений, 1973, вып. 4, о. 181—192.
15.	Мендельсон К. Физика низких температур.—Мл Изд-во иностр, лит., 1963—*
230 о.
16.	Методы измерения температуры: В 2-х ч. Ч. II.— М.: Изд-во иностр, лит.,
1954.—469 с.
17.	Олейникова Л. Д.9 Олейников П. П.( Трахтенберг Л. И, Стабильность термо-
пар W 4- 5% Re/W -|- 20% Re в атмосфере аргона. — В кн.: Теплофизические
свойства твердых тел при высоких температурах. М., 1969, т. 1,
с. 27—31.
18.	Орлова М. П. Низкотемпературная термометрия.— Мл Изд-во стандартов,
1975.—160 е.
19.	Павлов Б. П. О максимальной информационной способности контактных
термоприемников.—* Измер. техника, 1970, № 9, с. 56—57.
20.	Плетенецкий F. Е. Градуировочная характеристика вольфрам-молибденовой
термопары..—ПТЭ, 1971, № 2, с.’251—252.
20а. Преобразователи термоэлектрические: Градуировоч. табл. ГОСТ 3044—77.—*
Введ. 01.01.1979.
21.	Приборы для измерения температуры: Каталог.—Мл ЦНИИТЭИ приборо-
строения, 1975.— 123 с.
22.	Приборы и методы физического металловедения,—Мл Мир, 1973. Вып. 1.—
427 с.
23.	Поверка приборов для температурных и тепловых измерений. — Мл Стан-
дартгиз, 1965.—708 с.
24.	Пятрашка В. B.f Семяненка Ю- А. Термопары для измерения малых разностей
низких температур.—Изв. АН БССР. Сер. физ.-мат. наук, 1976, № 1,
с. 93—95.
25.	Рогельберг И. Л., Нужное А. Г,9 Покровская Р. Н. и др. Исследование
сплавов алюмель и хромель, легированных кобальтом.—В кнл Исследова-
ние сплавов для термопар.—М., 1964, т. 1, с. 101—114.
26.	Рогельберг И. Лч Нужное A. P.f Покровская Р. Н. и др. Стабильность термо-
электродвижущей силы термопар хромель — алюмель при нагреве на воз-
духе при температурах до 1200® С.—-В кнл Исследование сплавов для тер-
мопар.—М., 1967, т. 2, с. 54—65.
27.	Рогельберг И. Л. К вопросу о верхнем температурном пределе применения
термопар хромель—алюмель.—В кнл Исследование сплавов для термопар.—
М., 1969, т. 3, с. 47—55.
28	Рудницкий А. А. Термоэлектрические свойства благородных металлов и их
сплавов.—M.J Изд-во АН СССР, 1956.—148 с.
29	Рудницкий А. А., Тюрин И. И. Исследование и выбор сплавов для высоко-
температурных термопар.—ЖНХ, 1956, 1, № 5, с. 1074—1090.
30	Рудницкий А. А. Устойчивость показаний термопар из благородных метал-
лов.—Измерение температур жид. металлов, 1960, № 42, с. 39—43.
31.	Самсонов Г. B.t Кислый П. С. Высокотемпературные неметаллические тер-
мопары и наконечники. Киев: Наук, думка, 1965. — 181 с.
32.	Сирота Н. H.t Петрашко В. B.t Семененко Ю. А. Температурная зависи-
мость термоЭДС медь — золото + 0,035 атомн. % железа и хромель — золото
4- 0,035 атомн. % железа термопар.—Докл. АН -БССР, 1975, 19, №7,
с. 592»*б94.	»
349
33.	Славинский М. П. Физико-химические свойства элементов.—Мл Метал»
лургиздат, 1952.— 764 с.
34.	Смителлс К. Д. Вольфрам-—Мл Металлургиздат, 1958.—414 с.
35.	Стаднык Б. И., Самсонов Г. В. Термопары для измерения высоких темпера*
тур.— Теплофизика выс. температур, 1964, 2, № 4, с. 634—647.
36.	Стаднык Б. И., Лах В. И., Паляныця И. Ф. А. с. 186734 (СССР). Термо-
пара.— Опубл. 25.10.66 .
37.	Тарасова Г. Ф., Рогелъберг И. Л., Гильденгорн И. С. Термопары из сплавов,-
содержащих палладий.— В кн.: Исследование сплавов для термопар. М.,
1969, т. 3, с. 140-150.
38.	Уайт Г. К. Экспериментальная техника в физике низких температур.—Мл
Физматгиз, 1961.—368 с.
39.	Thermocouple reference table. Draft. International electrotechnical commision,
65 B.— Geneva; Central Office, 1975.—91 p.
Главах. ТЕРМОГЕНЕРАТОРЫ
Термоэлектрические источники электрической энергии — термо-
генераторы — классифицируют по следующим основным призна-
кам: по источнику тепловой энергии — генераторы на химическом
топливе, солнечные, изотопные, реакторные (на ядерном топливе);
по условиям эксплуатации — наземные, подводные, космические;
по назначению — для питания радиоаппаратуры, космических объ-
ектов, буев, бакенов, маяков, метеорологических станций, для ка-
тодной защиты и др.
Термоэлектрические генераторы описывают следующими ос-
новными параметрами:
коэффициентом полезного действия (КПД), %;
развиваемой электрической мощностью, Вт, кВт;
развиваемым электрическим напряжением, В;
током при номинальной нагрузке, А;
ресурсом, ч, год;
изменением параметров за определенное время, %;
массой, кг;
габаритными размерами, мм.
Термоэлектрические генераторы описываются также климати-
ческими условиями работы (допустимым интервалом температур
окружающей среды, 0 С; скоростью ветра, м/с; относительной влаж-
ностью, %; давлением, мм рт. ст.; для подводных генераторов —
максимальным' давлением, атм); стойкостью к механическим пере-
грузкам, специфическими условиями работы (например, давлением
горючего газа для генераторов катодной защиты газопроводов или
генераторов, для работы которых используют сжиженные газы;
расходом топлива, г/(Вт • ч); массой на единицу мощности, кг/Вт);
особенностями конструкции (материалами термоэлементов, чис-
лом термоэлементов, способом коммутации, устройствами регули-
рования электрической мощности и др.). Наиболее полные све-
дения о термоэлектрических генераторах приведены в работах
[50, 63].
§ 1. Термогенераторы на химическом топливе
При расчете термогенераторов и оптимизации их конструкций ис-
пользуются соотношения для описания термоэлементов (гл. III)
с учетом свойств источников тепла и неизбежных непроизводитель-
351
пых тепловых и электрических потерь в элементах конструкции
генераторов.
КПД генератора представляется зависимостью
ПиПтэЪПд.	(Х.1)
где т]и — КПД источника тепла (топочного устройства), т)тэ —
КПД термоэлементов, т)^ — коэффициент, которым учитываются
дополнительные потери на элементах конструкции генератора,
т]д — коэффициент, характеризующий дополнительные потери
электрической энергии (например, энергии, израсходованной на
обеспечение принудительного охлаждения оребрения генератора).
С учетом дополнительных потерь рассчитываются развиваемые
генераторами электрические напряжения, ток и мощность. Изме-
нения параметров генератора во времени, ресурс и надежность ра-
боты зависят от процессов старения в ветвях термоэлементов, в
коммутационных приконтактных слоях и в других элементах кон-
струкции. Эти факторы определяются экспериментальным путем.
Надежность и ресурс зависят и от способа соединения термоэлемен-
тов в батареи. Оптимальным является параллельно-последователь-
ное соединение [63].
1.	Ранние конструкции
Первые варианты термогенераторов были изготовлены в конце
прошлого века. Они использовались в основном для гальванотех-
ники. Беккерель изготовил термобатарею с термопарами из сернис-
той меди и мельхиора. В термогенераторе Ноэ применены ветви
из нейзильбера и сплавов сурьмы с цинком; тепло к горячим спаям
подводилось по медным стержням, нагреваемым двумя газовыми
горелками; охлаждение воздушное, с помощью медных цилиндров.
Применялись две батареи по двадцать термопар [34, 50].
Более мощные батареи с термоэлементами из сплава висмут —
сурьма и железа предложил Кламон. Термобатареи из 60 блоков,
по 50 элементов в каждом, изготовлялись заливкой висмут — сурь-
мы в форму и соединялись железной арматурой. Горячие спаи через
слюду прижимались к чугунной трубе нагревателя; охлаждение
воздушное с помощью медных пластин. Блоки располагались вер-
тикально вдоль образующей трубы, обогревающейся горячими га-
зами от сжигания кокса или угля (рис. X.I).
Лабораторные варианты генераторов разработали Меркус и
Фермер. Генератор мощностью 6 Вт разработан в начале XX в.
Гюльхером. В нем применены термопары из никеля и ZnSb. Батарея
изготовлена из никелевых трубок, к концам которых присоединены
ветви из ZnSb. Последовательное соединение осуществлено медны-
ми пластинками, ими же одновременно производилось воздушное
охлаждение. Батареи монтировались на шиферных пластинах. Ра-
зогрев спаев производился сжиганием газа у горячих спаев термо-
пар.
Генераторы (динафоры) Хейля [34] с газовым источником тепла
мощностью от 1 до 15 Вт выпускались в Германии (рис. Х.2).
В 1928 г. О. П. Чечик изготовил генератор из железо-никеле-
вых термопар, работающий от тепла осветительной керосиновой
лампы; в 1937 г. Н. Г. Ивахненко разработал конструкцию гене-
352
ратора с таким же источником тепла для питания накала радио-
приемников; использовались термопары из медь — константана
и железо — константана [34]. В 1940—1941 гг. в Ленинградском
Рис. Х.1. Термогенератор Кламона:
1	— термобатарея из Bi — Sb, Fe; 2 —медные ребра воз-
душного охлаждения; 3 — чугунная горячая труба-нагре-
ватель; 4 — угольная топка [50].
Рис. Х.2. Термогенератор (динафор) Хейля:
1	— ветвь из Zn — Sb; 2 — ветвь из константана; 3 — горя-
чий цилиндр с ребрами для теплопритока; 4 — ребро ох-
лаждения [34].
физико-техническом институте АН СССР был создан первый в ми-
ре термогенератор на полупроводниках. Под руководством акад.
А. Ф. Иоффе в СССР созданы научные основы разработки и примене-
ния полупроводниковых термогенераторов.
2.	Генераторы на угле и дровах
В генераторе ТГ-1 с термопарами из ZnSb и константана батарея
монтировалась в дне сосуда, наполненного водой (рис. Х.З). Сосуд
(котелок) помещался в пламя костра, перепад температуры на спаях
термобатареи (150—200 К) возникал между кипящей водой и кор-
пусом сосуда. КПД генератора составлял 1,5—2,0%. Применялся
генератор во время Великой Отечественной войны для питания
армейской радиостанции «Север» (получил название партизанский
котелок) [37].
Аналогичная по принципу работы конструкция генератора
разработана в США [50]. В ней применено 145 проволочных термо-
элементов из константана и сплава никеля (91%) с молибденом (9%).
Холодные спаи термоэлементов вмонтированы в дно бакелитового
стакана и охлаждаются водой, горячие обогреваются пламенем
спиртовки (рис. Х.4).
В 1945 г. в СССР началась разработка генераторов на древес-
ном угле. В одном из первых вариантов использованы термопары
из PbS и ZnSb—ВiSb. Охлаждение осуществлялось кипящей водой.
Для изоляции термобатарей от горячих и охлаждающих элементов
12 9-413
353
конструкции применена слюда. Для питания радиоаппаратуры в
генераторе использованы две термобатареи! для накальных и для
анодных цепей — через вибропреобразователь. В усовершенство-
Рис. Х.З. Схема генератора ТГ-1 («партизанский коте-
лок»):
1 — охлаждающая кипящая вода; 2 термобатарея; 3 — дно,
обогреваемое пламенем костра.
Рис. Х.4. Термогенератор с обогревом спиртовым пла-
менем:
/, 2 — холодные и горячие концы термобатареи; 3 — изоляцион-
ные диски; 4 — спиртовая лампа; 5 — треножник; 6 — бакелито-
вый стакан [50].
ванном варианте (рис. Х.5) применены термоэлементы из констан-
тана и ZnSb—BiSb, воздушное охлаждение холодных спаев, авто-
матическая заслонка с биметаллической спиралью для подачи топ-
лива,. улучшены условия коммута-
ции.
Созданы и более мощные генера-
торы (до 500 Вт) с обогревом углем
или дровами [37]. Для Дальнего Се-
вера были ^изготовлены генераторы
мощностью 200 и 500 Вт. Для нужд
сельского хозяйства (в частности,
животноводства) разработан генера-
тор мощностью 1 кВт [56].
Рис. Х.5. Термогенератор на древес-
ном угле с воздушным охлаждением:
1 — дымовая труба; 2 — бункер для топ-
лива; 3 — ребро воздушного охлаждения;
4 — коллектор тепла; 5 — термобатарея;
0 — электрические выводы [50].
354
3.	Генераторы на жидком топливе
Для питания радиоаппаратуры разработаны полупроводниковые
генераторы, скомпонованные с керосиновыми осветительными лам-
пами, типа ТГК-К ТГК-3, ТГК-2-2 [26, 50]. Конструкции генера-
торов аналогичны; использованы термоэлементы из ZnSb и кон-
стантана, охлаждение воздушное. Конструкция ТГК-1 приведена
Рис. Х.6. Конструкция термогенератора ТГК-1:
1 — труба; 2 — электрические выводы; 3 — ребро воздушного охлажде-
ния; 4 — уплотнение; 5 —- стяжное кольцо; 6 — изоляция из слюды; 7 —
термобатарея; 8 — прижимная планка; 9 — теплоизоляция; 10 — стяжной
болт; 11 —«труба с внутренним оребрением [50].
на рис. X. 6. Термобатарея содержит шесть секций, каждая из кото-
рых горячими гранями прижата к ограниченному с внешней сторо-
ны силуминовому цилиндру, охлаждение каждой секции осуществ-
ляется алюминиевым двойным оребрением. Секции соединены в две
батареи — для питания накальных цепей радиоаппаратуры и для
питания вибропреобразователя анодных цепей.
В генераторе ТГК-3 количество термоэлектрических секций 14,
температура горячих спаев термобатареи 380° С, холодных 80° С,
масса генератора 8 кг, срок службы 4000—4500 ч. Накальные цепи
обеспечивают напряжение 2 В при токе 0,3—0,54 А; для питания
анодных цепей использован вибропреобразователь, на выходе кото-
рого напряжение составляет 120 В при токе 8 мА или 90 В при токе
13 мА.
12*
355
В генераторе ТГК-2-2 в отличие от ТГК-3 одна из термобатарей
заменена высоковольтной с 2600 элементами для получения без
вибропреобразователя напряжения 120 В при токе 8 мА [34]. Срок
службы ТГК-2-2 — несколько тысяч^часов, расход керосина 40 г/ч
В 1954—1955гг. разработаны
более мощные ‘ генераторы типа
ТГК-9, ТГК-Ю, ТГУ-1, ТГК-36,
обогреваемые керогазами. Термо-
элементы, как и в ТГК-1, ТГК-3,
из ZnSb и константана [34]. Кон-
струкция ТГУ-1 приведена на
рис. Х.7.
В генераторе ТГК-36 исполь-
зованы два независимых блока
ТГК-18 (рис. Х.8) с керогазовыми
горелками. Перепад температуры
на термобатареях около 300° С.
В каждом генераторе по 12 секций
термобатарей, горячие спаи термо-
Рис. Х.7. Термогенератор ТГУ-1:
1 термобатарея; 2 -* охлаждающий ра-_
диатор; 3 —* горелка керогаза [34].
элементов прижаты к силуминовому тепловому коллектору, холод-
ные — к алюминиевому оребрению воздушного охлаждения. Гене-
ратор предназначался для питания районных сельских радиоузлов.
Расход керосина 350 г/ч.
Рис. Х.8. Термогенератор ТГК-36:
1 — блок ТГК-18; 2 —’ керогаз; 3 — емкость для керосина; 4 прибор-
ный щит [34].,
Портативные генераторы на бензиновом топливе разработаны
в США. В одном из вариантов мощностью 5 Вт использованы метал-
лические хромель-константановые термопары, вмонтированные в
теплоизолирующую керамику. Число термопар 168, внутреннее
сопротивление при последовательном соединении 1,7 Ом. Разогрев
горячих спаев производится бесшумной бензиновой горелкой с ре-
гулятором подачи воздуха и бензина. Температура горячих спаев
356
500° С, расход топлива 3,8'л/ч, КПД менее 0,2%. Охлаждение хо-
лодных спаев батареи воздушное, температура охлажденных спаев
90—100° С. При последовательном соединении термопар развивает-
ся напряжение 2,5 В при токе 2 А. Время непрерывной работы 8 ч,
срок службы термопар 2000 ч, масса установки 5 кг. Генератор при-
менялся во время второй мировой войны в армии США в качестве
компактного источника питания радиоаппаратуры малой мощности
и для обогрева помещений. Для питания анодных цепей использо-
/ — монтаж термобатарей; 2 — термобатарея; з — кольцевая труба воз-
душного охлаждения; 4 — кольцевой бензобак; 5 — тепловой коллектор;
6 — бензиновая горелка; 7 — насос (стрелками показано прохождение го-
рячих газов и холодного воздуха) [50].
вался вибропреобразователь. При'зарядке аккумуляторов генера-
тор коммутировался в две параллельно соединенные секции [27,50].
Более мощный вариант генератора (30 Вт) на бензиновом топ-
ливе выполнен на полупроводниковых термоэлементах из теллурис-
того свинца размерами 7,94 X 6, 35 X 6, 35 мм. Сублимация мате-
риала термоэлементов при высоких температурах устранялась по-
крытием их поверхности слоем металлической окиси, например
TiO2, или стекловидной эмалью. Термоэлементы (96 шт.) коммути-
рованы железными пластинами и сгруппированы в восемь вертикаль-
ных секций. Элементы изолированы друг от друга листовой слюдой
(рис. Х.9). Разогрев термоэлементов производился восьмигранным
коллектором, электрическая изоляция между термоэлементами и
коллектором из нитрида бора.
Внутренняя полость трубы с развитой поверхностью обогрева-
лась горячими газами от бензиновой горелки. Температура пламени
на входе 2900° С, на выходе 2440° С, температура горячих спаев
538° С. Бензиновая горелка работает под давлением около 7 кгс/см2,
подача топлива автоматическая. Наружные спаи охлаждаются по-
357
Током воздуха через алюминиевое оребрение, температура холод-
ных концов спаев 204° С. Напряжение, развиваемое термогенера-
тором, 6 В, время непрерывной работы 12 ч, срок службы 1000 ч,
масса, включая жидкое топливо,— 3,2 кг [50].
Армейский экспериментальный термогенератор мощностью
100 Вт [84] изготовлен в США из термоэлементов кремний— герма-
ний. Температура горячих спаев 910—950° С, холодных 200—230°С,
развиваемое напряжение 12 В.Разогрев осуществляется бензиновой
или керосиновой горелкой с ультразвуковым распылением топли-
ва. Подвод тепла к горячим спаям производится через сетку из ин-
конелевой проволоки. Охлаждение спаев воздушное, принудитель-
ное, от вентилятора с низковольтным мотором, питаемым от гене-
ратора. Расход горючего составляет 0,5—0,8 л/ч, выход генератора
в стационарный режим за 1 О’мин, масса 20 кг, удельная мощность
5 Вт/кг. Размеры генератора 304 X 333 X 457 мм, расчетный срок
службы 1000 ч.
В генераторе мощностью 150 Вт применены термоэлементы из
PbTe [79]. Расход бензина 0,45 л/ч, масса генератора 19,5 кг.
Преимуществом генератора является бесшумность его работы.
В США разработан генератор на жидком топливе мощностью
300 Вт [89]. Термоэлементы диаметром 6,35 мм и длиной 3,5 мм из-
готовлены из сплавов на основе PbTe. Коммутация термоэлементов
прижимная, контакт с медными шинами осуществляется через
стальные диски, для р-ветви между стальным диском и элементом
вмонтированы графитовые диски. * Генератор содержит устройство
для автоматического регулирования напряжения. Температура на
горячих спаях 595° С, на холодных 150° С, развиваемое термобата-
реей напряжение 28 В,Мощность в начале работы 300 Вт, через
1000 ч работы — около 275 Вт. Масса генератора с топливом на 8 ч
работы 16,9 кг.
В США разработан также генератор на керосиновом топливе
мощностью 5 кВт. Он состоит из двух одинаковых агрегатов [9,50].
В улучшенных вариантах конструкций термоэлементы изготовлены
из PbTe и GeBiTe и собраны в модули (по 14 в каждом агрегате); в
каждом модуле по 85 термоэлементов. Электрические контакты тер-
моэлементов в модулях прижимные, пружинные. Размеры модуля
80 X 11,6 X 6,1 см. Модули герметичные, заполнены инертным
газом. Температура горячих спаев около 600—650° С, холодных 50° С.
Разогрев осуществлялся вертикальной горелкой, установленной
во внутренней полости генератора. Охлаждение холодных спаев
водяное. Мощность, развиваемая модулем, 200 Вт, напряжение 8,5В
при оптимальной нагрузке 0,3 Ом. Последовательное и параллель-
ное включения модулей позволяют получать напряжения от 10 до
120 В при токах от 500 до 42 А. Питание вспомогательных узлов
(насоса охлаждения, топливного насоса, вентилятора) осуществля-
ется 8 дополнительными модулями по 4 в каждом агрегате. КПД
генератора около 4,7%
Рассмотрена возможность применения термогенераторов, рабо-
тающих от тепла выхлопных газов двигателей внутреннего сгора-
ния [66]. Такие устройства при работе совместно с аккумулятора-
ми могут применяться для питания электрооборудования автомо-
билей, тракторов и других машин. Мощность термогенератора
должна достигать 350—500 Вт. Исследованиями, проведенными на
макетах генераторов, установлена необходимость применения спе-
358
циальных мер для интенсификации передачи тепла к 'спаям термо-
батареи и улучшения добротности материала термоэлемента.
Рассмотрена возможность использования в термогенераторах
тепла отработанных газов реактивных двигателей [63,83]. Это гене-
раторы кратковременного использования (около 30 с), при перепаде
температуры около 500° С их удельная мощность может достигать
140 Вт/кг.
4.	Генераторы на газообразном топливе
Эти генераторы широко распространены. Их основное назначе-
ние — обеспечение катодной защиты газопроводов от коррозии.
Удобны и для использования в районах, где нет электрической сети.
В СССР для этих целей создан ряд термоэлектрических генераторов.
Первые из них—ТГГ-10 [40]—по конструкции аналогичны ТГК-10.
Развиваемое напряжение 10—12 В при токе 1 Д. Применена го-
релка ПВ-40-4 с предохранительным электромагнитным клапаном.
В генераторе ТГГ-16 улучшены условия теплообмена коллек-
тора тепла с горячими газами, напряжение, снимаемое с генератора,
16—18 В, время выхода в режим менее 30 мин, расход газа 0,1 —
0,2 м3/ч.
Термогенераторы для катодной зашиты мощностью 10 и 15 Вт
были установлены на газопроводе Дашава —Киев в 1958—1959 гг.
Генераторы разработаны НИИ телефонной связи Министерства
связи СССР [43].
В Институте полупроводников АН СССР разработан генератор
для катодной защиты мощностью 50 Вт [50]. Термоэлементы изго-
товлены из ZnSb и константана; при температуре горячих спаев
350—400° С и холодных спаев 130° С развиваемое напряжение 8 В.
КПД термобатареи 2%, генератора 1%. Более мощный генератор
ТЭГ-300 выполнен из четырех самостоятельных блоков со своими
горелками. В каждом блоке 384 элемента. Переключением батарей
достигается необходимое напряжение в интервале 4—24 В. Такими
генераторами обеспечивается катодная защита 40 км газопровода.
Образцы генераторов прошли успешные испытания в полевых усло-
виях [43].
В 1969—1970 гг. опытные партии термогенераторов мощностью
75 Вт были установлены и испытаны в тяжелых климатических ус-
ловиях на .газопроводе Таас — Тумус — Якутск [43].
Дальнейшее улучшение конструкций и эксплуатационных па-
раметров достигнуто в разработанных во ВНИИТе универсальных
газовых модулях УГМ-50, испытанных в районе Якутска. В этом
же институте разработаны модули УГМ-80 с термоэлектрическими
батареями из шести секций, помещенных в герметические наполнен-
ные инертной атмосферой кожухи. Термоэлементы в секциях охва-
тывают теплопровод, выполненный в виде шестигранной призмы,
в которой, в свою очередь, установлено газогорелочное устройство.
С наружной стороны термоэлементы находятся в тепловом контакте
с воздушным радиатором. Рабочая температура горячих спаев около
355° С, холодных — не более 130° С. Из модулей собраны установки
мощностью 480 Вт, использованные для питания радиорелейных стан-
ций газопровода Таас — Тумус — Якутск. Разработаны также ге-
нераторы ГКЗ-1М мощностью 1 кВт, установленные на газопроводе
Вуктыл — Ухта, для питания радиорелейных станций. Генераторы
снабжены системами автоматики и стабилизации электрического
359
Параметры термоэлектрических
Разработчик, тип генератора	Топливо	КПД, %	Электри- ческая мощность, Вт	Напряже- ние, В	Материал термопары	
Ноэ	Газ	—	—	—	Нейзильбер, ZnSb	
Кламон	Уголь	—	— -	—	Bi—Sb, железо	
Гюльхер	Газ	—	6	—	ZnSb, никель	
Хейль				1—15	—.	—	
СССР, Чечик	Керосин	—	—	—	Железо— никель	
СССР, Ивахненко	»	—	—	—	Медь—кон- стантан или железо— константан	
СССР, ТГ-1	Дерево, пламя костра	1,5—2,0	—	—	ZnSb, константан	
СССР	Древесный уголь	До 3,5	4	2	PbS, ZnSb—BiSn	
СССР	То же	До 2,5	До 4	—	Константан, ZnSb—BiSb	
СССР	Уголь' или дрова	—	200—500	—	—	
СССР, ИПАН, ВАСХНИЛ	То же	—	1000		—	
СССР, ТГК-1	Керосин	—-	1,6	1,2	Константан, Zn—Sb	
СССР, ктг-з	».	До 0,4	3	2	To же	
СССР, ТГК-2-2	»	0,2	3	1,2; 120		»
СССР, ТГК-9, ТГК-10	»	0,8—0,9	10—11	—	»	
СССР, ТГУ-1	»	0,8—0,9	14	—		»
СССР, ТГК-36	»	—	36	24		»
СССР, ТГГ-10	Газ	—	. 10—12	10—12	ZnSb, константан	
СССР, ТГГ-16	»	—	16—18	16—18	ZnSb	
СССР, ТЭГ50	»	1	50	8	Константан, ZnSb	
360
генераторов на химическом топливе
Таблица XI
Количество термопар	Охлаждение	Назначение	Литературный источник
40	Воздушное	Гальванотехника	150]
3000		—	[50]
—	»	—	[50]
—	—	—	[34]
—	—	—	[50]
—		Питание накала радио- ламп	[34]
—	Водяное, кипящая вода	Питание радиоаппара- туры	[37]
-—	То же	То же	[30]
—	Воздушное	» »	[30]
—	—	Для Дальнего Севера	[37]
—	—	Для животноводства	[56]
—	Воздушное	Питание радиоприемника «Воронеж»	[30]
—	»	Питание радиоприемников	[26]
2600	»	» »	[26]
—	»	» »	[34]
—	я	» »	[34]
—	»	Питание радиоузлов	[34]
—	»	Катодная защита'	[40]
—	»	» »	[40]
—	»	» >	[50]
361
Разработчик, тип генератора	Топливо	кпд, %	Электри- ческая мощность, Вт	Напряже- ние, В	Материал термопары
СССР, ТЭГ-300	Газ	1	300	От 4 до 24	ZnSb, константан
СССР, У ГМ-10	»	—	10—20	5,5; 12,24	—
СССР, УГМ-80	»	*	80	24	—
СССР, УГМ-200	»	—	200	24—30	—
СССР УГМ-200 К	»	—	200	2, 4, 8, 12, 24	—
СССР, ГКЗ-1 м	»	—	800—1000	4, 8, 12, 24	—
СССР, УГМ-1	Сжиженный газ	—	1,25; 2,5	12, 24	—
СССР УГМ-100СХ	Газ	—	100	12	—
СССР, М-30	»	—	30	12, 24	— >
США '	Спирт	—	—	6	Константан, Ni—Мо
США	Бензин	Менее 0,2	5	2,5	Хромель— константан
США	»	—	30	. 6	PbTe
США	Бензин или керосин	—	100	12	Ge—Si
США	Бензин			150			PbTe
США	Жидкое топливо	—	300	28	PbTe
США	Керосин	4,7	5000 .	10—120	PbTe, GeBiTe
Переносный ТЭГ	Сжиженный газ	—	1	—	—
Стационар- ный ТЭГ	То же	—	1	25	Хромель— константан
«General Instru- ments»	Газ	—	4,20	—	—
«Wesf i tig- house»	»	—	20,35	6	—
«Манпак»	»	6,9	265	27	—
362
Продолжение табл. Х.1
Количество термопар	Охлаждение	Назначение	Литературный источник
4X384	Воздушное	Катодная защита	[50]
—	»	Питание аппаратуры ма- гистральных газопрово- дов, катодная защита -	[65]
—		То же	[43]
— '		» »	[43]
—	»	» »	[43]
—	»	» »	[43]
—	—	Питание автоматической дрейфующей	ледовой станции	[61]
—	—	Электропитание сельско- хозяйственных объектов	[62]
—	—	—	[64]
145	Водяное	Питание радиоаппаратуры	[27]
168			[27]
96	»	—	[50]
—	Воздушное, принуди- тельное	—	[84]
—	—	—	[79]
—	—	—	[89]
2380	Водяное	—	[50]
—	»	Питание радиоаппара- туры	[27, 50]
—	»	Питание телефонных ли- ний	[94]
—	—	Катодная защита	[63]
12 модулей	 —	» »	163]
278	—	Питание станций службы погоды	[63]
363
напряжения. Генераторы, разработанные во ВНИИТе, успешно
используются также в качестве автономных источников электро-
энергии, работающих на балонном, сжиженном топливе [43].
К настоящему времени разработаны многочисленные варианты
генераторов типа УГМ, их параметры приведены в табл. X. 1.
Генератор УГМ-1 содержит газовую горелку ИК излучения,
теплоприемник, термобатарею, радиатор, корпус. Теплоприемник
изготовлен в виде тепловой трубки, теплоноситель — вода. Топли-
во— пропан, бутан, расход 0,004 м3/ч, ресурс 5 лет, время ра-
боты без осмотра 1 год. Габаритные размеры 360 X 208 X 242 мм,
масса 5 кг [61].
В”конструкции УГМ-100 СХ применен трубный термоэлектри-
ческий модуль, подвод тепла к нему и отвод осуществлен кипящим
теплоносителем, циркулирующим в замкнутых контурах. Ресурс
генератора 5 лет, расход топлива 3 г/(Вт • ч). Габаритные размеры
1020 X 540 X 1400 мм, масса 100 кг [62]. Модульная конструкция
применена и в ТГГ-35 (мощность 35—50 Вт, напряжение 6В, расход
топлива 3 кг/(кВт • ч), габаритные размеры 300x300X1500 мм, масса
35 кг).
Термогенераторы из проницаемых термоэлементов серии ПМГ
разработаны в ИТТФ [64]. Они изготовляются из металлических
термопар, помещенных в перфорированные пластины из высокотем-
пературной керамики размерами 65 X 45 X 12 мм. Диаметры от-
верстий в пластине несколько больше диаметра ветвей термопар.
Перепад температуры на спаях создается продувкой газовоздушной
смеси по отверстиям вдоль ветвей термопар в направлении от холод-
ных спаев к горячим. Из таких модулей могут изготовляться гене-
раторы мощностью 2—1000 Вт и напряжением 2—220 В. Ориенти-
ровочный расход газа 0,03 м3/ч на 1 В. Из проницаемых модулей’
изготовлен генератор М-30.
Многочисленные варианты генераторов для катодной защиты
разработаны и за рубежом. Их конструкции подобны ТГК-3 и
ТГК-300, развиваемая электрическая мощность до 300 Вт, напряжение
от 3 до 15 В, ток от 1,5 до 15 А [63, 81, 91].
Перспективными являются автономные термогенераторы на
сжиженном топливе. Разработаны варианты переносных и стацио-
нарных установок такого типа. В одном из вариантов переносного
генератора массой менее 1 кг [27, 50] использована термобатарея
из жаропрочных сплавов мощностью 1 Вт. Сжиженного газа в 4-
килограммовом баллоне достаточно для работы в течение 150 ч.
Генератор применяется для питания радиоаппаратуры в экспеди-
ционных условиях. Стационарные ТЭГ малой мощности служат для
питания усилителей телефонных линий в отдаленных районах. Ге-
нератор мощностью около 1 Вт вмонтирован в полую опору теле-
фонной линии, нижняя часть которой служит для хранения жидко-
го топлива [94]. Термобатарея из хромеля и константана развивает
напряжение 25 В. Ресурс генератора 10 и более лет. Запас сжижен-
ного газа рассчитан для работы в течение года. Сведения о термо-
генераторах на химическом топливе приведены в табл. Х.1.
§ 2. Солнечные генераторы
Ограниченность запасов химического топлива, термальное загрязне-
ние окружающей среды электростанциями на химическом и ядерном
топливе и широкое применение автономных источников питания для

космических аппаратов и таких наземных устройств, где подвод
электричества линиями передач нецелесообразен, стимулируют
разработку солнечных генераторов электрической энергии, в том
числе и термоэлектрических [9, 38, 50, 51, 73].
Солнце излучает 4 • 1023 кВт энергии, из нее на Землю падает
около 1014 кВт, т. е. более чем 1 кВт энергии на 1 м2 площади, пер-
пендикулярной солнечным лучам.
Конструкции солнечных генераторов содержат три основных
элемента: преобразователь излучения солнечной энергии в тепло-
вую (его называют также приемной площадкой, приемной пласти-
ной, коллектором), термоэлемент или
термобатарею и устройство для от-
вода тепла, прошедшего через термо-
элементы. Вспомогательными устрой-
ствами являются системы ориентации
по солнцу, электрические узлы со-
гласования с источниками, аккуму-
ляторы тепла и др. Эффективность
работы термогенератора определяет-
ся его коэффициентом полезного дей-
ствия т), который кроме КПД термо-
Рис. Х.10. Диаграмма распределения
энергии в солнечном термогенераторе:
А — солнечная энергия, падающая на при"
емную площадку генератора; Б — отражен"
ная энергия; В — преобразованная в тепло"
вую энергия излучения; Г — потери тепла
лучистым и конвективным теплообменом;
Д — энергия, подводимая к термоэлементу;
Е — потери тепла в термоэлементе; Ж —
тепло, «протекающее через термоэлемент; 3 —«
тепло, отведенное от термоэлемента; И —«
электрическая энергия.
элементов т]тэ зависит от КПД преобразователя энергии солнечного
излучения в тепловую т]п и коэффициентов т]к и т)д, которыми, как
и в (Х.1), описываются потери тепла в термоэлементе и дополни-
тельные потери электрической энергии для обеспечения работы
вспомогательных устройств:
П = ЧпПтэМц-	<х-2)
Диаграмма распределения энергии в солнечном генераторе [39]
приведена на рис. Х.10. Оптимизация конструкции для достижения
максимального т] сводится к максимальному уменьшению непроиз-
водительных потерь и создайию условий^для реализации максималь-
ного Лтэ*
Простейшим преобразователем излучения может служить чер-
неная коммутационная пластина термоэлемента (рис. X. 11). Од-
нако мощность теплового потока в этом случае недостаточна для
достижения требуемых перепадов температуры, поэтому КПД тер-
моэлемента такого генератора мал. Для его повышения используют
различного типа концентраторы тепловой и лучистой энергии. В
качестве тепловых концентраторов применяют плоские теплопрово-
365
дящие приемные площадки (см. рис. Х.11), площадь которых
больше площади поперечного сечения термоэлементов s. В этом слу-
чае потоки тепла через термоэлемент и соответственно перепад
Рис. Х.11. Схемы простейших солнечных генераторов:
1 — с приемной площадкой, площадь которой равна площади
коммутационной пластины; 2 — с развитой поверхностью прием-
ной площадки.
температуры возрастают пропорционально sx/s. Однако при уве-
личении возрастает и вклад потерь тепла, обусловленных лучис-
тым и конвективным теплообменом, поэтому в конечном итоге пере-
пад температуры не превышает 60—
80 К в воздушной атмосфере и 100—
250 К в условиях космоса. Необходи-
мые перепады температуры достигаются
зеркальными концентраторами [38, 50,
51, 73] в виде параболоидов, отражате-
лей Френеля или набора плоских зер-
кал (рис. X. 12).Оптимизация конструк-
ции солнечного генератора [13, 14, 33,
58, 63, 75] производится путем выбора
коэффициента Копт= — и теплопровод-
ности х0 термоэлементов (s2 — эффек-
тивная площадь зеркала). При задан-
ном s необходимое значение х-0 дости-
гается при оптимальной длине термо-
элементов /опт> Результаты расчета для
Рис. Х.12. Оптические концентраторы
для солнечных термогенераторов:
1 — параболическое зеркало; 2 — отражатель
Френеля; 3 — отражатель из набора плоских
зеркал; 4 — термобатарея.
некоторых термоэлектрических пар [4] приведены в табл. X. 2.
Электрическая изоляция между элементами частично шунтиру-
ет тепловой поток через термобатарею, изоляция у горячих и хо-
лодных спаев приводит к перераспределению температуры между
3G6
Таблица Х.2
Результаты расчета КПД, солнечных генераторов при оптимальных параметрах [,4]
Тип про- водимости	Материал термоэлектрических пар	/раб мате- риала, °C	z. ю% к-1	^опт	^ОПТ» мм	’‘гг %	^*кс,- %	макс» %
р п	AgSbTe2 PbTe + 0,055%PbI2	400—500	1,44—1,43	66—124	19—14	52—58	9,8—11,6	5,3—6,8
р п	10%AgSbTe2 4- 90%GeTe PbTe + 0,1 %РЫ2	450—550	1,12—1,13	105—177	21—17	55—60	9,5—10,7	5,4—6,5
р п	Mg2Si0,7Sn0(S4-3 мг/г Sb 80%InAs + 20%GaAs	500—600	0,54—0,55 •	124—251	37—23	58—63	5,4—6,6	3,2—4,2
р п	AgSbTe2 75%PbTe + 25%SnTe	450—550	1,27—1,33	91—165	12—8,4	55—60	9,8—12	4,7—6,7
р п	Mg2Si0,7Sn0,3 + 3 мг/г Sb PbTe + 0,055%PbI2	400—500	0,91—0,904	65—121	30—22	52—58	8,2—9,7	3,4—4,5
р п	PbTe 4-0,3% Na PbTe 4- 0,055%PbI2	400—500	1,23—1,107	. 62—121	26,6—17,6	52—58	8,7—9,6	4,2—5,2
р п	PbTe 4- l,0%Na PbTe 4- 0,055%PbI2 	400—500	1,15—1,11	65—122	24—17	52—58	8,2—9,7	4,5—5,5
р п	PbTe 4-0,3 % Na PbTe 4- 0,08%Cu	400	1,51	66	23	52	7,2	5,0
р - п	Mg2Si0,7Sn0,3 + 3 мг/г Sb InAsj_xPx (x = 0,1; n — 6 • 1016 cm“3)	500—600	0,62—0,65	118—186	—	58—63	5,9—7,2	3,3—4,2
р п	Mg2Si0,7Sn0t3 + 3 мг/г Sb 75%PbTe + 25%Sn Те	500—600	0,71—0,78	120—196	—	58—63	6,6—7,7	3,6—4,91
термоэлементом и изоляцией. Более точно оптимизация генератора
проводится при учете тепловой изоляции между ветвями термоэле-
ментов, а также между спаями теплоотводящей и обогреваемой из-
лучением плит [15].
При использовании солнечных концентраторов поверхность
термооатареи облучается неравномерно, спаи термоэлементов на-
греваются до различных температур и КПД генераторов в большин-
стве случаев ухудшается [3, 7, 8, 21, 22, 28, 47].
Используют различные методы для выравнивания потоков на
поверхности горячих спаев. Для этой цели применяют фацетные
зеркала [7], гелиоприемники в виде поверхностей равных тепловых
напряжений [59, 60], концентраторы специальной формы [10, 12],
цилиндрические гелиоприемники [6, 17, 24, 36, 55], выравнивающие
пластины большой теплопроводности на горячих спаях термо-
батареи или оптимизируют конструкцию с учетом неравномерного
распределения потоков энергии, например, используя в термобата-
рее термоэлементы различной высоты [2]. Применение полостных
приемников излучения кроме выравнивания температуры дает воз-
можность улучшить поглощательную способность, применить ак-
кумуляторы тепла [19, 45, 54, 93] и повысить КПД генераторов [6].
Дальнейшее повышение КПД преобразования достигается каскади-
рованием термоэлементов.
1.	Генераторы с плоскими приемными площадками
без оптических концентраторов
Эти генераторы отличаются простотой конструкции: обычно они
изготовляются в виде «горячего ящика» (рис. X. 13) с несколькими
расположенными друг над другом стеклами на стороне, обращен-
ной к солнцу. Расстояние между стеклами обычно 1—3 см. Под стек-
лами на некотором удалении устанавливается плоская термобатарея,
к горячим спаям которой через электрическую изоляцию вмонтиро-
вана теплопроводная пластина. Если приемная плоскость для каж-
дого из элементов набрана из изолированных друг от друга - плас-
тин, то изолировать спаи термоэлементов от пластин нет необхо-
димости. В таком устройстве стекло частично защищает горячие>
спаи термоэлементов от теплообмена с окружающей средой, уменьши-•
ет потери тепла и повышает КПД преобразования. Большая по-
верхность теплоотвода позволяет удерживать холодные спаи при.
температуре, близкой к температуре окружающей среды.
Экспериментальные образцы [50, 69] солнечных генераторов
были изготовлены еще в конце XIX в. К числу первых относилась
и конструкция русского астронома В. К. Цераского при освеще-
нии разработанного им генератора солнечные лучи приводили в
действие электрический звонок.
М. Телкес[57] разработаны и исследованы варианты небольших
генераторов с плоскими защитными стеклами. В генераторах при-
менены металлические термопары из хромеля и константана, из
висмут-сурьмянистых сплавов (86,7% Bi + 8,6% Sb и 91% Bi +
+ 9% Sb), из ZnSb и константана, из ZnSb и висмут — сурьмы
(91% Bi — 9% Sb). При облучении спаи разогревались до темпе-
ратуры около 80° С. Использованы металлические термопары дли-
ной 27 мм и сечением 10,3 мм2. Применялись также полупроводни-
ковые термопары с ветвями из ZnSb длиной 25 мм, сечением 126 мма
368
и из BiSb (91% Bi — 9% Sb) длиной 25 мм, сечением 32 мм2. Элект-
рическоесопротивление батареи при 20° С —0,126 Ом, один эле-
мент развивал термоЭДС 12 мВ. Для защити от внешних тепловых
воздействий использованы два плоских стекла.
Генератор относительно большой мощности (100 Вт) описан
в работе [50]. «Горячие ящики» укреплены на раме, ориентирован-
ной в направлении восток — запад. Предусмотрена регулировка
наклона рамы в различные времена года. Коллекторы солнечной
Рис. Х.13. Схема солнечного термогенератора
с плоскими приемными площадками типа «горячий
ящик»:
1 — корпус; 2 — теплоизолирующие стекла; 3 — приемная
плоскость; 4 »-» радиатор.
энергии алюминиевые, при облучении нагревались до 120—140° С.
Тепловая защита выполнена из двух слоев стекла с зазором между
ними. Генератор использовался для зарядки 24-вольтовой щелочной
аккумуляторной батареи.
Сведения о наземных солнечных генераторах с плоскими прием-
ными площадками приведены в табл. Х.З. Несмотря на конструк-
тивную простоту, низкие значения КПД преобразования из-за малых
перепадов температуры в термоэлементе и большой расход полупро-
водникового материала сдерживают применение генераторов тагксго
типа. Некоторого улучшения параметров можно достичь при исполь-
зовании селективных покрытий приемных площадок и стекол [29,
39, 71]. Покрытия приемных площадок должны иметь большой коэф-
фициент поглощения в видимой части спектра и по возможности ма-
лый в инфракрасной, защитные стекла — большой коэффициент
пропускания в видимой части спектра и большой коэффициент от-
ражения в инфракрасной.
2.	Генераторы
с концентраторами солнечной энергии
Концентраторами относительно просто достигается увеличение
плотности энергии и, Соответственно, увеличение перепада темпера-
туры ^ермогенератора, что позволяет при наличии подходящих ма-
369
03
О
Т а б л и ц а Х.З
Параметры наземных солнечных термогенераторов с плоскими приемниками излучения
без оптических конир нтраторов
Разработчик	Пло- щадь прием- ников излуче- ния, м2	Материал термоэлек- трических элементов	Коли- чество термо- элемен- тов	Охлаждение	Раз- ность темпе- ратур на спаях, К	Мощность, Вт		ЭДС, в	Ток, А	Сопротивле- ние, Ом		• кпд. %	Лите- ратур- ный источ- ник
						сол- неч- ного излу- чения	выход- ная			бата- реи	на- груз- ки		
США	0,36	Хро- мель— констан- тан	25	Воздушное охлаждение поверхности 500 см2	54,5	31	0,021	0,086	0,49	0,088	0,088	0,068	[57]
США	0,034	p-ZnSb, n-Bi—Sb	25	То же	54	28	0,175	0,3	1,1	0,137	0,137	0,59	[57]
СССР	16	Bi—Те	—	Воздушное	~100	—	^100	^24	—	^6	—	—0,6—0,7	[16]
Франция	17	Bi2Te3	—		—	14450	60—90	—	—	—	—	—	[63]
териалов увеличить КПД преобразования. Применение концентра-
торов позволяет увеличить температуру горячего спая до 1000° С.
К недостаткам солнечных генераторов с концентраторами от-
носятся их высокая стоимость, необходимость точной ориентации
по солнцу, усложнение устройств теплоотвода и относительно не-
продолжительное время работы из-за ухудшения характеристик
термобатареи в условиях работы горячих спаев при повышенных
температурах.
В СССР выполнен большой объем исследований, связанный
с разработкой солнечных генераторов с концентраторами. Экспе-
риментальный ТЭГ ГУ-2 в 1955—1956 гг. разработан Энергетиче-
ским институтом им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН). В качестве
концентратора использовано прожекторное параболическое зеркало
диаметром 2 м с фокальным пятном диаметром 30 мм. Термоэле-
Рис. Х.14. Вариант конструкции тер-
мобатареи солнечного генератора:
1 — уплотняющее кольцо из вакуумной ре-
зины; 2 — цилиндры из алюмийия; 3 —
электроизолирующая прокладка; 4 — отражаю-
щий экран; 5 — коммутационные пластины;
6 — компенсатор расширения; 7 — ветви
термоэлемента; 8 — пластмассовый корпус;
9 — уплотняющая гайка из электроизоляци-
онного материала; 10 «- коммутационная
шина [8].
менты из ZnSb и константана, количество элементов 840. При облу-
чении температура горячих спаев достигала 420° С (холодные спаи
при 20°С). Применена азимутально-зенитная схема суточного вра-
щения с автоматической коррекцией. Генератор развивал мощность
20—40 Вт при КПД 1,4—2,0% [ 11К В этом же институте был испы-
тан генератор с концентратором диаметром 1 м; р-ветвь термобата-
реи изготовлена из Bi2Te3, п-ветвь — из Bi2Te3 — Sb2Te3. В испы-
таниях при разности температур ДТ = 180° С получена мощность
10,2 Вт. Расчетная мощность 13,6 Вт при ДТ == 230 К. Генератор
являлся моделью для установки мощностью 1 кВт [7].
Конструкция макета генератора, являющегося имитатором
части киловаттного солнечного генератора [8], приведена на рис.
Х.14. Ветви термоэлемента имеют длину 1,3 см, поперечное сече-
ние 1,3 X 0,6 см, количество термоэлементов в батарее 25. Сопро-
тивление генератора после сборки 0,156 Ом, в том числе 0,02 Ом
приходится на коммутацию медными гибкими шинами по холодной
стороне термобатареи. Коммутационные пластины по горячей сто-
роне изготовлены из материала на основе никеля. Коммутация
осуществлялась методом, при котором термическая обработка спая
приводит к образованию соединения с температурой плавления
выше максимальной рабочей температуры генератора.Такие соеди-
нения образованы на основе буферного материала из никеля или селе-
на. Диффузия проводилась в восстановительной среде при 600—
700° С на протяжении 20 мин. Омическое сопротивление контакта
10“4 — 10"6 Ом • см2. Электропроводность коммутационного спая
11 000 Ом’1 • см"1. Сопротивление перехода практически не изме-
нялось за 1200 ч работы при 450° С на воздухе. Коммутация холод-
371
них спаев производилась припоем Bi — Sn — Pb на предваритель-
но палладированную поверхность термоэлемента. Общая площадь
сечения ветвей 39 см2, облучаемая площадь генератора 140 см2', пло-
щадь коммутационных пластин на 13,5% меньше облучаемой пло-
щади. Концентратор — алюминиевый параболоид диаметром 1,4 м
с фокусным расстоянием 820 мм.Температура холодных спаев 25—
30° С при температуре охлаждающей воды 18° С.Результаты испы-
таний генератора приведены в табл. X. 4.
Таблица Х.4
Параметры варианта солнечного термоэлектрогенератора
с оптическим концентратором [5]
Перепад температуры, К	195	229	267	303	350
Выходная мощность, Вт	2,1	3,0	3,9	4,30	5,4
Развиваемая термоЭДС, В	1,91	2,46	2,98	3,3	3,9
Внутреннее сопротивление, Ом	0,443	0,514	0,57	0,63	0,71
Коэффициент концентрации, К	46	55	65	83	103
П, %	1,82	2,08	2,38	2,44	2,54
Солнечный термогенератор для водоподъемной установки СВ-1
мощностью 500 Вт разработан в ЭНИН совместно с Физико-техни-
ческим институтом АН ТССР [18, 25, 60]. Генератор развивал напря-
Рис. Х.15. Конструкция солнечного генератора малых размеров
с теплоотводящим рефлектором:
1 — рефлектор; 2 — полусферический коллектор; 3 — термоэлемент; 4 — теп-
лоотвод [31].
Рис. Х.16. Схема термобатареи с термоэлементами различной длины:
1, 6, 7 — теплоизоляция из асбеста; 2— коммутационные пластины горячих
спаев; 3, 5 — термоэлементы; 4 — керамические металлизированные пластины;
8 — металлический защитный обод; 9 — ступенчатый медный диск; 10 — резино-
вая прокладка; Г1— стяжные болты; 12 — водяной штуцер; 13—стальная ци-
линдрическая крышка; 14 — металлическое дно; 15 — выводы контрольных тер-
мопар; 16 — токовые клеммы от каждой кольцевой термобатареи [2].
жение 20 В; в нем использован параболический концентратор диа-
метром 4,86 м с механизмом суточного слежения и годового скло-
нения. Полученная электроэнергия использовалась для питания
электромотора постоянного тока^ которым приводится в действие
водяной насос.
372
В Институте полупроводников АН СССР разработан солнеч-
ный генератор, набранный из малых концентраторов [31]. Его рефлек-
торы имеют размеры, приблизительно равные размерам автомобиль-
ной фары. Алюминиевые рефлекторы использованы и для рассеяния
тепла. На теплоотводе в фокусе рефлектора размещен термоэле-
мент (рис. Х.15). Приемником тепла является полусферический ком-
мутационный элемент.Из таких генераторов набирают батарею мощ-
ностью 60 Вт. Аналогичная кон-
струкция для космических целей
несколько позднее разработана в
США. Рассчитано [5], что в таких
конструкциях оптимальное отно-
шение, температур (К) концентра-
тора и горячего спая равно 0,75.
В Физическом институте АН
АзССР разработана конструкция
термогенератора [2], в котором
выравнивание температурного по-
ля горячих спаев достигнуто при-
менением элементов различной вы-
соты. Вначале проводится калори-
метрирование фокального пятна
для нахождения распределения
энергии. Использовано зеркало
параболического типа диаметром
1,5 м. Термоэлементы p-типа из
Рис. Х.17. Конструкция термо-
батареи с цилиндрическим кол-
лектором лучистой энергии:
1, S — теплоизоляторы; 2, 9 — креп-
ления труб охлаждения; 3 — трубка
водяного охлаждения; 4 —термобатарея;
5 — стенка коллектора; 6 — электройзо-
ляция; 7 —конический отражатель;
10 — место крепления батареи [17].
В12Те3— Sb2Te3, n-типа из Bi2Te3 — Bi2Se3 (рис. Х.16) припаяны
радиально к медному ступенчатому диску диаметром 220 мм. Ох-
лаждение термобатареи водяное. Радиус, кольцевых секций- —
100; 90; 80; 70; 60; 50; 40; 30 мм, длина термоэлементов — 23; 20;
16; 12; 8,5; 6,6; 6 мм. При облучении температура на горячих спаях
термоэлементов соответственно 168; 176; 180; 195; 210; 217; 203;
187° С, температура холодных спаев 42° С. Генератор развивал
электрическую мощность 16 Вт. КПД термогенератора около 3,5% ,
КПД солнечного генератора в целом 1,5%.
Для улучшения оптических и теплотехнических свойств кол-
лекторов лучистой энергии вместо плоских площадок используют
полости — цилиндрические, сферические и др. В Институте элект-
роники АН УзССР [17] разработан солнечный генератор такого ти-
па (рис. Х.17). Коллектор выполнен снаружи в виде двадцатигран-
ной призмы из материала с большим коэффициентом теплопроводнос-
ти (алюминия) высотой 120 мм; внутри призмы — цилиндрическая
полость диаметром 60 мм. В дно полости вмонтирован конический
373
374’
Таблица Х.5
Параметры солнечных термогенераторов с оптическими концентраторами
Разработчик, модель	Пло- щадь кон- центра- тора, м2	Материал термоэлементов	Коли- чество термо- элемен- тов	Охлажде- ние	Темпера- тура спаев, °C	Мощность солнечного излучения, Вт/м2	Мощность электри- ческая, Вт	кпд, %	Литературный источник
ЭНИН, ГУ-2	3,о	ZnSb—константан	840	—	Ti = 420 Т2=20	—	20—40	1,4— 2,0	[11]
ЭНИН	^0,7	—	—	—	\Т = 180		10,2	—	[7]
ЭНИН, Физико- технический ин-т АН ТССР	2,0	Pb—Se	25	Водяное	0^0 3^8 II II II  <N,	910—950	5,4	2,54	[8]
ЭНИН, Физико- технический ин-т АН ТССР, СВ-1	18,65	—	—	—	—	—	500	—	118, 25, 60]
Ин-т полупровод- ников АН СССР	—	—	—	—	—	—	60	—	[50]
Ин-т электроники АН УзССР	2,0	Bi 2 Teg BigSeg» Bi2Te8—Sb2Te3	360	Водяное	AT = 220	—	30	2,50	[17]
—	4,4	—	—	—	AT = 380	—	200	6,50	[95]
Ин-1 электроники АН УчССР	1,5	Bi2Te3—Sb2Te3, Bi2Te3—Bi2Se3	123	Водяное	AT 160	625	16	1,50	[2]
оптический отражатель. Термобатареи состоят из Bi2Te3 — Bi2Se3
и Bi2Te3 — Sb2Te3. Общее количество элементов 360. Холодные спаи
охлаждались водой. Испытания батареи проводились с концентра-
тором диаметром 1,5 м. При перепаде температуры 220° С выходная
мощность достигала 30 Вт, КПД 2,5%. Перепад температуры по
внутренней полости — не более 40 К.
Применение каскадных термоэлементов позволяет улучшить
характеристики солнечного термогенератора. В работе [95] описана
энергетическая установка с параболоидным зеркалом диаметром
2,4 м. Прй перепаде температуры 380° С КПД установки составляет
6,5% при мощности генератора 200 Вт. КПД каскадного генератора
превышает 10%. Электрическая энергия используется для питания
центробежного насоса. Параметры солнечных термогенераторов с
оптическими концентраторами приведены в табл. X. 5.
3.	Солнечные термогенераторы для космоса
Кроме основной характеристики солнечного генератора — КПД
преобразования — в генераторах для космоса существенными яв-
ляются масса генератора на единицу электрической мощности, ра-
диационная стойкость, надежность и ресурс. Сравнительный анализ
с иными генераторами солнечной энергии (фотоэлектрическими,
эмиссионными) показывает, что термоэлектрический метод преобра-
зования является перспективным.
Рис. Х.18. Схема плоского солнечного космического генератора:
/ — солнечная радиация; 2 — отвод тепла.
Рис. Х.19. Макет плоского солнечного генератора;
1 — термоэлементы; 2 — изоляция; 3 — излучатель; 4 — коллектор; 5 — сварка
Генераторы без оптических концентраторов. Содержат пластину
или ряд пластин — приемников излучения — и пластины, из-
лучающие прошедшую через термоэлементы тепловую энергию (рис
X. 18). Между пластинами монтируются термоэлементы небольших
размеров (около 2,5 мм3 и менее). .Материал термоэлементов PbTt
или тройные соединения на основе Bi2Te3. В работе [39] предложен
использовать термоэлементы из прессованного PbTe размерами
2,5 X 1,0 X 1 мм (больший размер вдоль теплового потока). К кон-
цам термоэлемента припаяны полоски алюминиевой фольги тол-
щиной 0,05 мм. Испытания тепловыми ударами от 300 до—196° С
375
и механическими воздействиями подтвердили прочность такой
конструкции. Для монтажа термоэлементов алюминиевую фольгу
соединяют изолятором керамического типа. Размер генератора за-
висит от генерируемой им электрической мощности. В варианте,
предложенном в работе [39], изготовляются панели площадью око-
ло 0,09 ма, которые могут быть собраны в компактный узел и развер-
нуты в космосе (рис. X. 19). Поверхности коллектора должны быть
селективными: обладать максимальным поглощением в видимой
и минимальным излучением в инфракрасной частях спектра при дли-
нах волн, соответствующих максимальному излучению от разогре-
нанесенные напылением (рис. X. 20), образующие «темные зеркала»
£и
1,0 b
0,8
0,6-
0,4-
0,2 -
того коллектора. Приемлемыми являются покрытия из SiO2 и А1,
с хорошей поглощающей способ-
ностью (до 0,8 мкм) и отражением
при длинах волн более 1,0 мкм.
В космосе единственным спосо-
бом рассеяния тепла является излуче-
ние, поэтому коэффициент излуче-
Рис. Х.20. Отражательная способность
.............. «темных зеркал», покрытых SiO2 (/) и
ЛВДда- А1 (2) [39].
ния отражателей должен быть по возможности большим. Напри-
мер, при использовании пленки SiO2 коэффициент ^излучения ел
равен 0,93.
Несмотря на относительно низкий КПД (2—2,5%) по сравне-
нию, например, с фотоэлектрическими преобразователями, термо-
электрические панели имеют тем не менее приемлемые показатели:
около 32 кг/кВт у генераторов, предназначенных для использова-
ния между орбитами Марса и Венеры, около 13,6 кг/кВт — между
орбитами Земли и Венеры и около 9,1 кг/кВт —вблизи орбиты
Венеры. Термоэлектрические генераторы имеют более высокую на-
дежность по сравнению с фотопреобразователями при повышенных
температурах и при воздействии метеоритов.
В конструкции с плотностью размещения термоэлементов 3 тыс.
шт. на 1 ма получен КПД около 2%. Термоэлементы электрически
изолированы от коллектора и рассеивающей пластины. Каждый
из термоэлементов вырабатывает электрическую мощность около
10 мВт. В космическом пространстве коллектор разогрет до 300°С,
рассеивающая пластина—до 70 °C. Генератор имеет приемлемые
массово-энергетические характеристики: 25—30 кг/кВт — и позво-
ляет получить 30—40 Вт электроэнергии с 1ма площади коллектора.
Генератор изготовлен из кассет, каждая поверхностью 30 см2. В кас-
сете 12 рядов элементов (по 12 элементов в ряду). Кассета генери-
рует 2 Вт электроэнергии [78].
Генераторы с оптическим концентратором. Макет солнечного
генератора, изготовленный по схеме, предложенной А. Н. Ворони-
ным [31], описан в [73]. Отличительной конструктивной особенно-
стью генератора является применение вместо полусферического
коллектора энергии сферического о коническим теплопереходом
(рие. X. 21).Конструкции рассчитаны для рефлекторов диаметром
376
76,2; 89 и 102 мм. Для каждого диаметра определялась отношение
фокусного расстояния к радиусу рефлектора, которое обеспечивало
минимальный путь для прохождения тепла от термопары к излу-
чателю (выпуклой стороне рефлектора). Найдена оптимальная мас-
са единичного блока — 5,8 г. Для испытаний в наземных условиях
из таких блоков собрана батарея мощностью 5 Вт. Испытания про-
ведены в течение 100 ч. Расчет характеристик генератора для около-
земной и окололунной орбит показал, что 676 единичных блоков
должны развивать электрическую мощность 243 Вт. Из таких блоков
можно собрать установку мощностью 3 кВт. Удельная мощность
блока составляет 30—50 Вт/кг, а при
использовании аккумулятора тепло-
вой энергии — 18—22 Вт/кг.
Больший КПД преобразования
достигается при увеличении погло-
щательной способности коллектора
и возрастании перепада темпера-
Рис. Х.21. Термоэлемент (1) единич-
ного блока со сферическим коллекто-
ром лучистой энергии (2), коническим
теплопереходом (3) и полу цилиндри-
ческими-теплоотводами (4) [73].
туры. В США проведены макетные испытания генератора с ци-
линдрической приемной полостью и двухкаскадной термобата-
реей [50] из материалов МСС-40 и МСС-50 для р-ветви и МСС-40 и
МСС-60 для n-ветви. Расчетная температура горячих спаев 1215° С,
холодных — 570° С. Термобатарея состоит из 23 секций, каждая из
которых имеет вид разрезанного на четыре части кольца, где каждая
четверть кольца — ветвь термоэлемента. Диаметр термогенератора
с радиатором 155 мм, общая длина по оси источника тепла 406 мм,
масса 1 кг. Всего в батарее 46 термоэлементов. Тепло подводится
к внутренним отверстиям колец, расположенных в один ряд. На-
ружные части колец охвачены радиа-
тором. Испытания батареи проведены
в течение 2500 ч при температуре горя-
чих спаев 1200° С, холодных — 460—
490° С в вакууме 10”£ мм рт. ст. КПД
генератора 4%.
' Генераторы с аккумулятором тепла.
Разработаны для питания искусствен-
ных спутников Земли. Тепловой акку-
Рис. Х.22. Схема солнечного генератора
с аккумулятором тепла:
/ — оптический концентратор; 2—рассеиватель
тепла; 3 — емкость теплового аккумулятора;
4 — термобатарея; 5 — теплоизоляция.
мулятор применяется для работы термогенератора во время прохож-
дения спутником тени Земли. Схема термогенератора приведена на
рис. X. 22. Коллектор лучистой энергии в форме цилиндра охвачен
377
камерой с веществом, имеющим подходящую температуру плавле-
ния и большую скрытую теплоту плавления. Через наружные стенки
камеры тепло передается горячим спаям термобатареи. Тепловая
энергия, полученная коллектором при облучении, расходуется как
на работу термобатареи, так и на плавление вещества теплового ак-
кумулятора. При входе спутника в тень необходимый перепад тем-
пературы в термобатарее поддерживается за счет тепловыделения
при затвердевании вещества теплового аккумулятора. Для умень-
шения потерь на излучение при
использовании аккумулиро-
ванной энергии входное отвер-
стие коллектора автоматически
закрывается.
В США разработан обра-
зец такого генератора полез-
ной мощностью 10 Вт для ис-
кусственного спутника Земли
с периодом обращения 90 мин
(из них 55 мин генератор осве-
щается солнцем, 35 мин нахо-
дится в тени). Генератор -ком-
поновался с концентратором
диаметром 1,5 мм [45]. Термо-
элементы p-типа изготовлены
из GeTe0 95 и BiTe0 05, п-типа—
из РЬТе (0,1% Bi); Геометри-
ческие размеры ветвей 25,4 X
X 6,35 X 6,35 мм. Термобата-
рея изготовлена из 12 X 3 мо-
дулей, в каждом модуле по 10
термоэлементов;- все термоэле-
мен ты включены последова-
тельно. В качестве аккумули-
Таблица Х.6
Характеристики окис лов
для высокотемпературных
аккумуляторов тепла
Материал	Температура фазового пре- вращен я, К	Теплота фазово- го превращения, Дж/кг
МпО	2063	765
wo3	1943	250
ВаО	2198	376
тю2	2113	813
А12О3	2323	1068
ВеО	2803	2840
2ВеО« А12О3«4ТЮ2	1883	867
3BeO«2MgO	2143	2095
рующего материала использован гидрид лития. При испытаниях
получена средняя мощность 12—18 Вт, выходное напряжение
около 15 В, емкость теплового аккумулятора 12 320 Вт/мин, т) =
= 3,5%. Подобный генератор с аккумулятором тепла был установ-
лен на спутнике с периодом вращения 90 мин [54,93].
Свойства некоторых окислов для высокотемпературных аккуму-
ляторов приведены в табл. X. 6.
Солнечные термоэлектрические генераторы в сочетании с тер-
моэлектрическими холодильниками для кондиционирования описа-
ны в работах [1, 44]; в сочетании с фотоэлектрическим генератором —
в работах [23, 46, 56].
§ 3. Термоэлектрические генераторы
с изотопными источниками тепла
В генераторах использована энергия, выделяющаяся при распаде
ядер радиоактивных изотопов. Большая часть этой энергии является
кинетической энергией заряженных частиц и Т-квантов. При их
378
поглощении выделяется тепловая энергия, используемая в термо-
генераторах.
К областям применения таких генераторов относятся: питание
космических объектов — спутников, автоматических станций на
поверхности Луны, Марса и других планет, удаленных от Солнца;
питание наземных устройств в труднодоступных для обслуживания
районах — автоматических метеорологических станций, линий ра-
диосвязи, катодной защиты трубопроводов; питание автономных
средств сигнализации — буев, маяков; питание подводных авто-
матических установок — средств противолодочной защиты, гидро-
акустических маяков, подводных океанографических установок;
питание аппаратов «искусственное сердце» в медицине.
Мощности изотопных термогене-
раторов от нескольких ватт до не-
скольких киловатт, КПД 3—5% и
более, срок непрерывной работы от
нескольких месяцев до десяти лет.
Рис. Х.23. Модель типичного изотоп-
ного термоэлектрического генератора
(разрез части сферического или ци-
линдрического генератора):
1 — радиоактивный изотоп; ' 2 — топливная
капсула; 3 — внутренняя защита от радио-
активного излучения; 4 — термобатарея;
5 —оболочка; 6—внешняя защитная оболоч-
ка; 7 — оболочка, рассеивающая тепло [42].
Типичная модель, которой описывается большинство конст-
рукций изотопных генераторов, приведена на рис. X. 23. Радио-
активное вещество расположено в герметичной топливной капсуле
и разогревает ее; разогревается и внутренний защитный экран,
через который тепло переносится к горячим спаям термоэлементов.
Теплосброс с холодных спаев осуществляется внешней рассеиваю-
щей оболочкой через внешний защитный экран. Внутренний экран
используется только в тех случаях, когда излучение изотопа влияет
на свойства термобатареи, внешняя защитная оболочка применяется
для обеспечения биологической безопасности и устранения влия-
ния излучения на работу приборов, расположенных вблизи гене-
ратора.
На рис. X. 24 приведена схема, поясняющая распределение по-
токов тепла и электричества в генераторе. В схеме кроме тепловых
сопротивлений элементов модели учтены управляемые тепловые
сопротивления. Ими, как и системой электрического регулирова-
ния, компенсируются уменьшение со временем мощности изотоп-
ного источника, изменение внешних условий теплообмена, что по-
зволяет поддерживать напряжение генератора на заданном уровне.
КПД генератора, равный отношению выработанной электри-
ческой мощности к затраченной тепловой мощности изотопного ис-
точника:
W
n = i-.	(Х.З)
4w
379
содержит несколько сомножителей:
П = т]тэПр'Пэ>	(х-4)
где т)Тэ — КПД термобатареи, г]р — КПД регулирующего устрой-
ства, т]э — коэффициент, зависящий от различных потерь тепла. Ве-
личина т]тэ описывается формулами (см. гл. III) для термоэлектри-
ческого генератора, т)э обычно составляет 80—90% и учитывает
Рис. Х.24. Схема распределения потоков тепла и
электричества в изотопном термогенераторе:
1 — изотопный источник тепла; 2 — изотоп; 3 — стенка кап-
сулы; 4 — внутренняя защита; 5 — система электрического
регулирования; 6 —термобатарея для регулировки теплового
потока эффектом Пельтье; 7 — рабочая термобатарея; 8 — за-
слонка терморегулирования; 9 тепло, выделенное электри-
ческим регулятором; 10 — внешняя защита; 11 — излучатель;.
12 — электрическая нагрузка; 13 окружающая среда [42].
шунтирующее действие изоляции между термоэлементами и различ-
ными элементами конструкции, т]р находится в пределах 75—90%
и зависит от качества электронных преобразователей, систем регули-
рования и интервала изменения мощности изотопного источника
тепла.
1. Изотопные источники тепла
Выбор изотопного источника для термоэлектрического генератора
производится на основе анализа ряда основных его свойств: перио-
да полураспада, удельной мощности, типа проникающего излуче-
ния и уровня кинетической энергии [50]. Период полураспада оп-
ределяется из выражения, которым описывается процесс распада
радиоактивных ядер:
^(А) = ЛГ(Л)е-Х/>	(Х.5)
где — количество распавшихся ядер в образце, — количест*
во ядер в начальный момент времени t = 0, t — время, к — посто-
янная распада.
380
Период полураспада, т. е. время, в течение которого распада-
ется половина ядер в образце,
Л, = 0,693 1. '	(Х.6)
/я	Л
Значение Tyt обычно выбирается в интервале от 100 дней до 100
лет. При использовании изотопа с меньшим периодом возникают
трудности, обусловленные кратковременностью его действия, осо-
бенно если учесть время, необходимое для его монтажа, транспорти-
ровки и хранения. При очень больших периодах распада тепловой
эффект ниже минимально необходимого для работы генератора. В
зависимости от проектируемого ресурса и мощности используют
тот или иной изотоп.
Удельная мощность ш, характеризующая тепловыделение еди-
ницы массы изотопа, связана с периодом полураспада Выражением
U*
w = 2,12 • 10?--|----е--и,	(Х.7)
тЬТ'/,
где U* — средняя энергия, поглощенная в изотопе, МэВ, тА — атом-
ная масса, г/моль.
Для генераторов используют изотопы, тепловыделение кото-
рых ад > 0,1 Вт/г; применение изотопа меньших мощностей приво-
дит к неоправданно большому объему источника тепла.
Уровень кинетической энергии определяет тепловой эффект
топлива, поэтому при малых его значениях изотоп не может быть
использован из-за слабых тепловыделений.
Вследствие указанных ограничений количество пригодных для
использования в термогенераторе изотопов невелико (табл. X. 7,
X. 8) [42, 50]. Дополнительные ограничения на возможность при-
менения изотопов накладывают их температурная и химическая
стойкость и выделение газов при радиоактивном распаде.
2. Особенности конструкции
Тепловой блок обычно состоит из ампулы с изотопом и корпуса, в
тело которого они вмонтированы. Форма корпуса чаще всего ци-
линдрическая, коническая или плоская (рис. X. 25—Х.27). К наруж-
ной поверхности корпуса монтируются горячие спаи термобатареи.
Перепад температуры внутри цилиндрического теплового блока
(капсулы), наполненного изотопом, при адиабатической изоляции
краев цилиндра, определяется по формуле [42]
Гв-Г1=?^-> <х-8)
где То ~ температура в центре камеры (максимальная температура
изотопа), Tj—температура на внутренней Поверхности камеры,
ад — тепловыделение единицы объема изотопа, Вт/см3, а — внут-
ренний радиус камеры, хп — коэффициент теплопроводности изо-
топа;
381
Свойства радиоактивных изотопов, пригодных для термоэлектри
Изотоп	Период полураспада	Удельная мощность, Вт/г	Изотопный состав, %
Кобальт-60	5,25 года	0,22 по р 5,32 по Т	60Со—31,6 ' 69Со—68,4
Стронций-90	28,4 года	0,93	90gr	55 88Sr (стаб.)—43,9 86Sr (стаб.)—1,1	*
Цезий-137	30 лет	0,27 ч	ФОСО СО 1 1 1 (Л (Л !Л UUU о ю п « « со
• Церий-144	284,5 сут	2,6	w4Ce—13,3* х«Се—42,7 140Се (стаб.)—44
Прометий-147	2,6 года	0,37	l47Pm—100
Полоний-210	138,3 сут	142	?1°Ро—100
Плутоний-238	86,4 года	0,55	—
Кюрий-242	162 сут	121	S42Cm—98
Кюрий-244	18 лет	2,8	ta ьэ to СЯ> O' tfs. ООП ЭЗЭ 1 1 1 СО И— СО О
Состав после 1 года распада.
382
ческах генераторов [50]
Таблица Х.7
Тип распада и энергия, МэВ	Плот- ность, г/см3	Т ПЛ’ °C *	Чистота, %		Биологиче- ская активность воздуха, мкКи/см3
			радио- химическая	химическая	
Р(О,31) 7(1,17) 7(1,33)	8,9	1480	6°Со—100	«°Со—99 o»Ni—1	3-10-»
Р (0,54) 7(1,73)	2,6	770	90Sr—99,9	Sr > 95 примеси Ca, Ba	10- н
В (0,51)—92% Р (1,17)—8% 7 (0,66)	1,87	28,5	i”Cs—95 434Cs—5	Cs—98 Rb, Na, K—2	5- 10~в
р (0,018)—30% Р (0,32)—65% Р (0,24)—5%	6,7	804	144Се__99	Ce—99	2-IO"10
Р (0,23)	4,4	1297	H’Pm—99 l48Pm— 1	Pm—95 Nd—5	2-10-»
а (5,3)—100% 7 (0,8)—слабое	9,3	254	2iop0__ioo	Po—95	2-10-10
а (5,49) V (0,04)	16,5	640	—	—	7-10'10
а (6,11)—73,7% а (6,06)—26,3% У (0,44)	13,5	950	242Cm—99	242Cm—40 241Am—60	7-10-11
а (5,8)—-76,7% а (5,7)—23,3% 7(0,043)	13,5	950	244Cm—99	244Cm—99,5 243Am—0,5	7-10~14
383
Таблица Х.8
Изотопное топливо для термогенераторов [50]
Характеристика	Со (металл)	SrT 1O3	Боросили- катное стекло	СеО2	Рш2Ог	Ро (металл)	РпО2	Сш2242о3	Ст244о3
Удельная мощность, Вт/г	2,9	0,24	0,07	2,84	0,32	142	0,39	44,1	2,53
Плотность мощности, Вт/см3	26	0,82	0,24	18,7	2,03	1320	3,90	397	22,5
Удельная активность, Ки/Вт	65,1	148	207	126	2440	31,2	30	—	29,2
Плотность, г/см3	8,9	3,7	3,1	6,6	6,6	9,3	10—12	9,0	9,0
Температура плавле- ния, °C	1480	1900	1275	2680	2350	254	2240	1950	1950
Коэффициент ‘ тепло-	54—71	5—7	0,4—0,8	0,9—3,0	2,5	—	—	2,8	2,8
проводности, Вт/(м*К)	при 20°С	при 20° С	при 20° С	при 100— 1000°С	при 150° С			при 125° С	при 125° С
Коэффициент расши- рения,	1,2 1,7 при 20°С	1,12	—	1,07—1,29 при 0— 1300°С	1,08 при 30— 740° С	—	—	1,05 при 1000°С	1,05 при 1000° С
Выделение газа при распаде	Не обна- ружено	Не обна- ружено	Не обна- ружено	Не обна- ружено	Не обна- ружено	Г елий*	Гелий**	Гелий***	Гелий****
* 0,05 см3/Вт при давлении 100 атм в течение периода полураспада.
** Гелий выделяется сравнительно медленно из-за большого периода полураспада.
♦** 13,9 см3 выделяет источник с начальной активностью 1000 К и за период полураспада.
♦♦♦♦ 84,7 см3 выделяет источник с начальной активностью 1000 Ки за 2 года (0,11 периода полураспада).
,3
Рис. Х.25. Схема цилиндрического теплового блока
изотопного термогенератора:
1 — ампула с изотопом; 2 — изотоп (топливо); 3 ~ объем для
газа; 4 — крышка блока; 5 — пробка; 6 — корпус блока [50].
Рис. Х.26. Схема конического теплового блока изо-
топного термогенератора:
1 — изотоп (топливо); 2 — объем для газа; 5 — герметичный
сварной шов; 4 —корпус блока; 5 — ампула *с изотопом [42].
Рис. Х.27. Схема теплового блока прямоугольной
формы:
1 — изотопное топливо; 2 — ампула с топливом; 3 — контей-
нер; 4 — прямоугольный блок; 5, 6, 7 -- резьбовые уплотне-
ния; 8 — цилиндрические контейнеры с изотопным топливом
[32].
13 9-413
385
Разность температур между внутренней и внешней поверхнос-
тями стенки блока
Ti - т2	1 + 231/7?^ ,	(Х.9)
2 \хк а	/
где хк — коэффициент теплопроводности материала-топливной ка-
меры, b — внешний радиус камеры, I — длина камеры, RT — теп-
ловое сопротивление между внешней поверхностью и наружной стен-
кой. В формуле (Х.9) пренебрегается тепловым сопротивлением на
границах внутренней и внешней поверхностей камеры; формула
может быть использована и для нахождения перепадов температу-
ры на других цилиндрических элементах модели — внутренней и
внешней защитах, на оболочке — при соответствующей подстанов-
ке геометрических размеров и теплопроводности элементов.
Кроме эффективного переноса тепла от топлива к термобата-
реям и герметизации радиоактивного вещества тепловой блок дол-
жен удовлетворять ряду дополнительных требований: противо-
стоять механическим воздействиям, вызванным термическими напря-
жениями, выдерживать внутренние давления газа, выделившегося
при распаде, обеспечивать необходимую прочность в критических
условиях (при ударах, воспламенении дт. д.).
При а-распаде изотопа образуется газ (гелий), давление кото-
рого определяется по формуле [42]
Р = «	(1 _ е~») [{Tt - тс) е~и + Гс], (Х.Ю)
иг
где /Vq — число молей испускающего а-частицы топлива в началь-
ный момент времени t = 0, 7?* — универсальная газовая постоян-
ная, Vr — объем газа, % — постоянная распада, Tt — температу-
ра газа в начальный момент времени, К; Тс — температура окру-
жающей среды, К. По мере распада -давление в ампуле нарастает
и может достигать больших значений, поэтому в ампуле предусмат-
ривается объем, при котором давление не достигает критических
значений. Обычно давление в ампуле не превышает 100 атм. Изо-
топы, генерирующие P-излучение, могут также выделять газообраз-
ные продукты при радиохимических реакциях, обусловленных при-
месями в топливе; их накопление необходимо также учитывать при
проектировании ампул.
Конструкция теплового блока должна обеспечивать радиацион-
ную безопасность при различных внешних воздействиях в экстре-
мальных условиях: авариях np*i транспортировке, при запусках
ракет, входе космического корабля в плотные слои атмосферы, па-
дении с большой высоты, погружении на большие глубины и т. д.
Анализ возникающих при этом внешних воздействий показывает,
что тепловой блок должен противостоять ударам при скоростях до
100 м/с, выдерживать давление до 500—700 атм и температуру до
1500—1800° С.
Термобатарея. Горячие спаи термобатареи приводятся в кон-
такт или непосредственно с поверхностью теплового блока, или
с внутренней радиационной защитой. Последняя применяется ред-
ко, так как свойства термоэлементов при облучениях в изотопном
386
генераторе изменяются несущественно. Холодные спаи через внеш-
нюю радиационную защиту и корпус обмениваются теплом с окру-
жающей средой. Качество теплового контакта термобатареи по
холодной и горячей частям является важным условием для обеспе-
чения требуемого КПД и надежной работы генератора. Однако пай-
ка, обычно используемая для достижения теплового контакта,
в большинстве случаев неприемлема из-за термических напряжений,
возникающих в жесткой конструкции, и может привести к разруше-
нию термоэлементов при вибрации или ударе. Ввиду .этого разрабо-
таны варианты термоэлементов с пружинным поджимом к тепловому
блоку (рис. Х.28). Для достижения надежного теплового контакта
могут быть использованы и жидкие при-
пои в условиях, исключающих их испа-
рение или утечку.
Материалы термоэлементов кроме
высоких значений термоэффективности
должны иметь достаточную механиче-
скую прочность и термическую стой-
кость, исключающую окисление или
сублимацию в заданном интервале тем-
ператур. Если материал подвержен та-
ким процессам (например, PbTe), то его
поверхность покрывают защитным слоем
Рис. Х.28. Вариант конструкции термо-
элемента для изотопного генератора:
1 — электроизоляция; 2 — теплоизоляция; 3 —
коммутирующая пластина; 4 — уплотнение; 5 —
прижимное устройство; 6 — корпус; 7 — пру-
жина; 8 — термоэлемент; 9 — корпус теплово-
го блока [42].
(окисью алюминия, окисью циркония и др.) или заполняют объем,
окружающий термобатарею, инертным газом. Кроме PbTe в изотоп-
ных генераторах используют термоэлектрические материалы Ge—Si;
при изготовлении каскадных батарей применяют оба материала.
Теплоизоляция. Кроме малого коэффициента теплопроводности
теплоизоляция должна иметь термическую и радиационную стой-
кость, слабо поглощать газы и не взаимодействовать с материалами
термобатареи. Сведения об изоляционных материалах приведены
в табл. Х.9, Х.10. Изоляция Min-К изготовлена из кварцевой пуд-
ры, асбестового волокна, двуокиси титана и фенольного биндера.
Применяется также изоляция из кварцевой пудры с размерами час-
тиц менее 1 мкм (75%), кварцевого волокна (4—8%), двуокиси ти-
тана с размерами частиц до 5 мкм (16%). Теплопроводность изоля-
ции на воздухе при 316° С и давлении 1 атм равна 0,03 Вт/(м • К),
в среде аргона — 0,025 Вт/(м • К), в вакууме — 0,016 Вт/(м • К).
Теплоизоляторы иногда изготовляют в виде металлических пластин,
пространство между которыми заполнено инертным газом. Приме--
нение теплоизоляторов уменьшает потери тепла в генераторе на
Ю—15% [50, 70].
Защита от излучений. Конструкция генератора должна обеспе-
чивать безопасность на уровне минимально допустимых норм как
13*	387
Таблица Х.9
Теплопроводность изоляционных
материалов, используемых
в термогенераторах отечест-
венного производства [65]
Материал	Коэффи- циент тепло- провод- ности, Вт/(м«К)
Изоляция на основе	0,05
перлитов при рабо- чей температуре 150° С Изоляция на основе	0,025—
аэрогелей, стеклян-	0,040
ной и минеральной ваты Газоэкранная изоля-	0,015—
ция	0,020
Таблица Х.10
Свойства изоляционных материа-
лов, применяемых в изотопных
генераторах,изготовленных
в США [42]
Материал	Коэффици- ент тепло- проводности, Вт/(м*К)		Максимальная рабочая темпе- ратура, К
	в воз- духе	в ва- кууме	
М1П-К1301	0,032	0,022	980
Min-K501	0,022	0,011	530
Min-K200	0,053	0,042	1365
Стекловолокно (АА-1200)	0,064	0,058	920
Таблица Х.11
Среднегодовые допустимые концентрации а- и ^-из лучений [41]
Изотоп	Питьевая вода, Ки/л	Воздух населен- ных пунктов, Ки/л	Максимально допустимое содер- жание в организ- ме, мкКи
Кобальт-60	3,5-10-8	3-10-13	13
Стронций-90	4-Ю~10	4-10'14	2
Цезий-137	1,5-10-*	5-10~13	30
Церий-144	1,2-10~8	2-10-13	1,7
Прометий-147	2,3-10-’	2-10-12	31
Тулий-171	ю-’	4-10-12	73
Полоний-210	7,3- 10~10	7-10-15	0,04
Плутоний-238	5-Ю-9	7-10"17	0,04
Кюрий-24 2	2,3-10~8	4-10-15	0,18
Кюрий-244	7,3-10-’	3-10-1®	0,14
при попадании радиоактивных веществ внутрь организма, так и
при облучении (табл. Х.11).
Проникающее излучение уменьшают до требуемых норм защит-
ными экранами. Мощность дозы излучения не должна превышать
2Q0 мР/ч на поверхности и 3 мР/ч на расстоянии 1 м от центра объек-
та [42]. Элементы электронных схем и электронное оборудование не
388
Таблица Х.12
Радиационная стойкость компо-
нентов электроники [42]
Компоненты	[ Доза 7-облучения, Р	Доза нейтронного облучения, нейтр/см2
Транзисторы		
германиевые	10’—10’	Ю13
кремниевые	10’	10”
Диоды кремни- евые Конденсаторы	10’	10”
бумажные	10’	101’
керамические	10”	1015
стеклянные	10”	101’
танталовые	10’	101’
Сопротивления угольные	Ю’—Ю!»	101’
Т рансформаторы, дроссели и ка- тушки индуктив- ности	10s—1 о9	10”
Таблица X. 13
Радиационная стойкость элек-
тронного оборудования [42]
Тип оборудования	Доза 7-облучения, Р	Доза нейтронного облучения, нейтр/см2
Средства связи	10’	ю14
Радар Системы уп- равления и навигации	10’	Ю13
гироскопы поплавко- вые	7.10е	6-Ю14
гироскопы курсовые	10’	2-1014
радиоком- пас	—	7-Ю13
приемник и передатчик	107	8.1013
автопилот	107	1014
астро- • ориентатор	—	7-Ю13
Магнитный усилитель	—	7.10й
Счетчики	—	10”
Усилитель на транзисторах	10’	Ю13
Диоды запоми- нающего устройства	10’	
должны подвергаться облучению
в дозах, больших, чем приведен-
ные в табл. Х.12 и Х.13.
Как известно, существуют че-
тыре типа ядерного излучения,
опасного для человека и разруши-
тельного для оборудования: V-
кванты, нейтронное излучение, |3-
и а-частицы. Эти излучения при
распаде изотопов сопровождаются
дополнительным излучением (тормозным, рентгеновским и др.),
которое необходимо учитывать при конструировании защитных
оболочек. Наилучшими материалами для защиты от Т-квантов явля-
ются свинец, вольфрам и обедненный уран, от нейтронного излуче-
ния — водородсодержащие соединения, бериллий и другие материалы
с малыми атомными массами. На рис. Х.29, Х.ЗО приведены тол-
щины свинцовой защиты от Р- и а-частиц, обеспечивающие мощ-
ность дозы на расстоянии 1 м от точечного источника не более
10 мбэр/ч. На рис. Х.31 приведена зависимость мощности доз из-
лучения от тепловой мощности изотопного источника для расстоя-
ния 1 м от оси топливной ампулы с учетом самопоглощения в топ-
ливе и стенках ампулы. Из рис. Х.31, в частности, следует, что
389
изотопный генератор с топливом плутоний-238 практически не тре-
бует защиты.
Иногда в космических генераторах используют теневую защи-
ту, ограждающую наиболее чувствительные приборы от прямого
излучения изотопного источника.
Рис. Х.29. Толщина свинцовой защиты I для f-излучения при раз-
личных тепловых мощностях:
1 _ 144Се; 2 — ’"Sr; 3 — 137Cs [42].
Рис. Х.ЗО. Толщина свинцовой защиты / для a-излучения при раз-
личных тепловых мощностях:
/ — 228Th; 2 — 232U; з — 242Cm нейтроны деления); 4	288Pu; 5 — 210Ро
(7+ нейтроны деления) [42].
Корпус генератора. Его назначение — передача тепла в ок-
ружающее пространство от термобатареи, обеспечение герметичнос-
ти “при заполнении генератора
инертным газом, защита внутрен-
них элементов от механического и
химического воздействий внешней
среды. Для наземных и космиче-
ских вариантов корпус генератора
Рис. Х.31. Зависимость мощности
доз излучения Wo от тепловой
мощности:
/ __ »°Sr (тормозное излучение); 2 —
44Ст (нейтронное излучение); 3 —244Ст
(7-излучение); 4 — 2з»Ри (нейтронное
излучение); 5 — 238Ри (7-излучение)
(1 бэр/ч = 2,56-107 быстрых нейтронов/
см2-ч, 1 бэр/ч= 1 фэр/ч для 7-квантов,
10 бэр/ч=1 фэр/ч для нейтронов)* [42].
обычно изготовляется из легких сплавов. Наружная поверхность
покрывается материалами, обеспечивающими эффективный тепло-
отвод и химическую стойкость. Корпус глубоководных генераторов
390
изготовляется из специальных материалов, выдерживающих необ-
ходимое гидростатическое давление
Темцература корпуса, рассеивающего тепло, определяется обыч-
ным путем с учетом характера теплообмена с окружающей средой
(вода, воздух, вакуум). Тепловой поток, отводимый от поверхности
генератора (плотность потока обычно не превышает 1000—3000
Вт/м2) [72], не вызывает больших перегревов в наземных условиях
или воде. Более сложным является теплоотвод в вакууме; отводимая
мощность определяется по формуле
Qr = eaas(^-Tj),	(Х.11)
где 8и — излучательная способность поверхности оболочки, s —
эффективная площадь излучающей поверхности, Тп — температу-
ра излучающей поверхности, TQ — температура окружающей
среды. Значения 8и для некоторых материалов приведены на рис.
Рис. Х.32. Излучательные способности различных материа-
лов- для покрытия излучателей: *
1 — черненая эмаль; 2 — А12О3; 3 — ZrO2; 4 — ZrSiO4; 5 — MgO; 6 —•
анодированный алюминий [42].
Х.32. При использовании оребрения в формуле Х.11 s — площадь
призматической поверхности, рассчитанная для высоты hf, умень-
шенной до эффективной высоты hQ = h'tn, trq
m=7Fth/2-V’
V = (/ + 6) 3/« 1/ ——---,	(X.12)
Г xpe6spe6
Хреб — коэффициент теплопроводности материала ребра, spe6 —
площадь его поперечного сечения, а'' — коэффициент теплообмена,
I — длина ребра, 6 цолутолщина ребра у его основания [42].
391
Регулирование мощности. Распад изотопного топлива приводит
к экспоненциальному уменьшению его мощности со временем (рис.
X. 33), а следовательно, и к уменьшению перепада температуры в
термобатарее, которое, в свою очередь,
приводит к уменьшению электрического
напряжения и мощности. Для стабилизации
напряжения и мощности на заданном уров-
не используются электрические и тепловые
регуляторы. Первыми в начальные периоды
поглощается избыточная электрическая
Рис. Х.ЗЗ. Зависимость мощности изотоп-
ных источников IFO от времени t для раз-
личных топлив:
1 _ 238Pu. 2 — 244Ст; 3 — 147Рт; 4 — 144Се; 5 —
242Ст; 6 — 210Ро [50].
мощность, вторыми отводится часть тепловой мощности в окру-
жающую среду, минуя термобатарею.
На рис. X.34 приведена схема одного из механических вариан-
тов регуляторов теплоотвода.
Резервуар с жидким металлом
укреплен на тепловом блоке и
имеет тепловой контакт с топ-
ливной ампулой. Изменение
температуры ампулы приводит
к расширению или сокращению
сильфона и через рычажные
механизмы — к перемещению
Рис. Х.34. Схема устройства для регулирования мощности изотопного
генератора:
1 — топливо; 2 — защита; 3 — вакуум; 4 — основной излучатель; 5, 10 — изоля-
ция; 6 — термоэлементы; 7 — электроизоляция; 8 — резервуар с NaK-78; 9 —
приводной механизм; 11 —заслонки терморегулятора; /2 — корпус генератора;
13— вспомогательный излучатель [42].
Рис. Х.35. Схема устройства для регулирования мощности изотопного
источника тепла с использ'ованием меняющегося основания излу-
чателя:
1 — вспомогательный излучатель; 2 — испаряющийся материал; 3 — изотопное
топливо; 4 — основной излучатель; 5 — термобатарея; 6 — топливный блок; 7
каркас низкой теплопроводности [42].
392
заслонок, которыми регулируется теплообмен вспомогательного
излучателя с окружающей средой. В начальные периоды работы
излучатель полностью открыт и рассеивает в окружающее про-
странство часть тепловой энергии. По мере падения мощности
заслонки закрываются, теплоотвод уменьшается, сохраняя, таким
образом, постоянный тепловой поток через термобатарею.
На рис. Х.35 приведена схема более простого устройства, в ко-
тором использован сублимирующий материал, переносящий тепло
от топливной камеры к вспомогательному излучателю. Со временем
испарение в вакууме (космическом пространстве) приводит к умень-
шению количества этого материала, его тепловое сопротивление
растет и, соответственно, убывает количество тепла, переносимого
к вспомогательному излучателю. Для регулирования может быть
использован и газ, частично шунтирующий тепловой поток через
термобатарею. Постепенное стравливание газа в космос уменьшает
теплоотвод и компенсирует изменение мощности источника тепла.
Компенсация достигается и закорачиванием части элементов
термобатареи. При этом эффектом Пельтье поглощается избыточ-
ное тепловыделение в начале работы генератора.
Могут быть использованы и стабилизирующие покрытия на ох-
лаждающих оребрениях, имеющие в начальные периоды работы
высокую излучательную способность. В генераторах, где использо-
ваны изотопы с большими периодами полураспада (плутоний-238,
кюрий-244, стронций-90), необходимость в системах регулирования
мощности невелика.
3. Наземные генераторы
В СССР в первых вариантах изотопных генераторов применены
?10Ро и шСе. В генераторе с 210РЬ размер топливного блока 60 X
X 60 X 13 мм, тепловая мощность 320 Вт; использованы 8 термо-
элементов из Ge—Si длиной 3 см [§Д]. Сведения о наземных изотоп-
ных генераторах приведены в табл. Х.14.
Для электропитания радиометеорологических станций и для
других целей разработаны генераторы серии «Бета». Первый из
них — «Бета-1» — на топливе молибдат церия с вольфрамовой ци-
линдрической ампулой диаметром 100 мм, толщиной стенок 20 мм
и днища 40 мм. Тепловая мощность блока 135 Вт. Использованы тер-
моэлементы размерами 5 X 5 X 20 мм из тройных сплавов на основе
висмута, сурьмы, селена, теллура. Количество термоэлементов 97.
Коммутация произведена мягкими припоями. Рабочая температура
горячего спая 180° С, холодного 27° С. Постоянная тепловая мощ-
ность, подводимая к термобатарее, регулировалась системой по-
движных экранов и редукторов. В конструкции генератора исполь-
зован внешний кожух с развитой поверхностью охлаждения из 64
прямоугольных ребер, позволяющий поддерживать температуру
холодных спаев термобатареи близкой к температуре окружаю-
щей среды. Масса генератора с рабочим контейнером 400 кг, с
транспортным — 1200 кг; габаритные размеры — диаметр 690 мм,
высота 508 мм [67].
Генератор «Бета-2» по конструкции аналогичен «Бета-1». Здесь
использовано изотопное горючее стронций-90, позволившее уве-
личить тепловую мощность до 148 Вт. Температура горячих спаев
увеличена до 250° С. Масса генератора без защиты 150 кг, масса
393
Параметры наземных изотопных, термоэлектрических генераторов
Разработчик, тип	Электри- ческая мощность, Вт	Рабочее напряже- ние, В	кпд, %	Изотоп	Ресурс
СССР	5,8	2,85	2,36	?х°Ро		
СССР, «Бета-1»	5,3	3,4	4,0	144Се	1 год
СССР, «Бета-2»	7,3	5	4,9	"Sr	10 лет
СССР, «Бета-С»	12	6	4,8	"Sr	10 лет
СССР, «Бета-3»	10—12	10—12	—	"Sr		.
СССР, «Ангара»	12	13	4,8	"Sr	—
СССР, «Бета-М»	8,5—7,5	6	—	"Sr	Не менее 10 лет
СССР, «Эфир-М»	30 ±0,3	32; 12			"Sr	105 ч
СССР, «Пингвин»	2 ±0,2	1,5±0,2	—	"Sr	105 ч
СССР, «МИГ-67»	1	2	—	238pu	5
«Моунд», генератор № 1	1,8-10~3	эдс 42-10~s	0,1	2iap0	—
«Моунд», генератор № 2	4,65-Ю"3	эдс 0,75	0,2	210po	—
«Моунд», генератор № 8	0,14	—	0,5	210po	—
«Martin»	4,2	3,5—4	3,6	"Sr	2
«Martin», СНАП-7А	11,6	5	4,5	"Sr	10
«Martin», СНАП-7Б	68,0	12	4,7	"Sr~	10
«Martin», СНАП-7С	11,6	5	4,5	"Sr	10
«Martin», СНАП-7Д	68 "	12	4,7	"Sr	10
США, РТГ-1	1,0	18	2,4	"Sr	5
США. РТГ-2	2,0	18	4,8	"Sr	5
США, РТГ-3	1,0	10	3,3	234pu	20
США, РТГ-4	0,3	—	1,4	"Sr	5
394
Таблица Х.14
Защита	Материал термобатареи	Коли- честве термо- эле- ментов	Назначение	Литературный источник
		Ge—Si	18			[63]
Вольфрам, свинец	Bi2Te3—Bi2Se8, Bi2Te3—Sb2Te8	97	Питание радиоме- теорологической станции	[32, 50, 67]
—	To же	—	То же	[32, 50, 67]
—	» »	—	» »	[32, 50, 67]
—	—	—	» »	[32, 50, 67]
			Питание станции для исследования космических лу- чей	[50]'
—	—	—	Питание назем- ных автономных систем	[52, 53]
—	—	—	То же	[52, 53]
—	—	—	» »	[52, 53]
—	—	—	Питание радио- аппаратуры	[63]
—	Хромель— константан	7	—	[42]
—	То же	40	—	[42]
—	—	—	—	[42]
Свинец, 11 см	PbTe	60	Питание метеоро- логической стан-	[42]
Уран, 6,6 см	PbTe	60	ции Питание морско- го буя	[42]
Уран, 8,25 см	PbTe	120	Питание маяка	[42]
Уран, 6,6 см	PbTe	60	Питание метеоро- логической стан- ции	*[42]
Уран, 8,25 см	PbTe	120	То же	[42, 50]
Обедненный Уран	Bi—Те	—	Для океаногра- фических иссле- дований	[63, 86]
Свинец	То же	—	То же	[63, 86]
—	» »	—	» »	[63, 86]
Уран	» »	—	Ракетная техника	[63, 86]
395
Разработчик, тип	Электри- ческая мощность, Вт	Рабочее напряже- ние, В	кпд, %	Изотоп	Ресурс
США, УРИПС-П1	1,0	24	2,0	90Sr	—
Обогреватель водо- лазных костюмов	5,0	—	1,1	X?0Tu 171TU	2
Франция, «Маргарита-2»	0,125	0,5	—	90Sr	—
Франция, «Маргарита-20»	12,5	—	4,7	90Sr	—
Англия, Ripple-I	0,075	0,8	1,7	 90Sr	10
Англия, Ripple-II	0,075	0,8	1,7	"Sr	10
Англия, Ripple-III	0,75			2,6	"Sr	—
Англия, Ripple-IV	2,5	—	2,5	90Sr	—
Англия, Ripple-V,-VI,-VII	1	—	1,0	"Sr	5
СНАП-15а	10~3.	4,5	—	283pu	4—5
транспортного контейнера 500 кг, габаритные размеры — диаметр
430 мм, высота 500 мм.
* На основе конструкции «Бета-2» в 1967 г. налажен серийный
выпуск генераторов «Бета-С» на стронции-90 тепловой мощностью
250 Вт для питания метеорологических станций УАТГМС-3. Тем-
пература горячих спаев батареи, как в предыдущей конструкции,
250° С, холодных 20° С. Масса конструкции снижена до 120 кг.
Для работы-в районах Крайнего Севера и Антарктиды создан
генератор «Бета-3». Он работает при температуре окружающей
среды до —70° С.
Модифицированный генератор «Ангара» разработан для пита-
ния радиоаппаратуры и одновременного ее подогрева. Он установ-
лен на высоте 3000 м над уровнем моря со станцией для исследова-
ния космических лучей. Электрическая мощность станции 12 Вт,
тепловая 250 Вт.
Разработаны также варианты изотопных генераторов «Бета-М»,
«Эфир-М» и «Пингвин». У генератора «Бета-М» тепловая мощность
230 Вт, допускаемое уменьшение электрической мощности за ресурс
не более 50%, напряжения не более 25%, энергоемкость не менее
800 кВт/ч, масса 550 кг. Параметры генератора «Эфир-М»: тепловая
мощность 650 ± 65 Вт, электрическая емкость не менее 2400 кВт/ч,
396
Продолжние табл. Х.14
	Защита	Материал термобатареи	Коли- чество термо- эле- ментов	Назначение	Литератур- ный источник
	Уран	Bi—Те	—	Питание берего- вого маяка	[63, 86]
	—	——	—	Электропитание водяного насоса и	ксеноновой лампы	[63, 74]
	—	Ge—Si	—	Питание акусти- ческого маяка	[63]
	—	Ge—Si	—	—	[63, 80]
	Свинец	Bi2Te3	36	Питание морской навигационной установки	[50, 85]
	Сплав вольфрама	Bi2Te3	36	То же	[50, 85]
	То же	В i 2 Te3	—	» »	[50, 85]
	» »	Bi2Te3	—	Для подводной связи	[50, 85]
	Обедненный уран	Bi2Te3	—	Питание навига- ционной уста- новки	[50, 85]
	—	—	—	То же	[63]
масса 1000 кг. Параметры генератора «Пингвин»: мощность до 10 Вт,
электрическая емкость не менее 210 кВт/ч, ресурс работы 105ч, мас-
са 300 кг. Сведения о генераторах приведены также в табл. Х.14.
Первые варианты зарубежных генераторов выполнены на изо-
топном топливе полония-210 в лаборатории «Моунд» [42]. Генератор
№ 1 имел тепловую загрузку 57 Ки, в качестве ампулы в нем ис-
пользована стальная никелированная сфера диаметром 1 см; полу-
ченная тепловая мощность составляла 1,8 Вт. Термобатарея из 7
элементов хромель — константан при температуре горячих спаев
123° С и холодных 45° С развивала ЭДС 42 мВ и максимальную мощ-
ность 1,8 мВт, КПД генератора 0,1 %. В генераторе № 2 использова-
но 142 Ки топливной загрузки полония-210, помещенного в сталь-
ной никелированный цилиндр наружным диаметром 0,5 см и высо-
той 1,14 см; тепловая мощность 4,65 Вт. Батарея из 40 хромель-
константановых термопар при температуре горячих спаев 324° С
й холодных 80° С развивала ЭДС 0,75 В. При замене металли-
ческих термопар полупроводниковыми и увеличении мощно-
сти источника тепла (880 Ки, 210Ро) электрическая мощность
также возросла до 0,14 Вт (генератор № 8). Фирма «Martin» изго-
товила генератор для метеорологической станции. Изотопное топ-
ливо стронций-90 (17 500 Ки) помещено в цилиндрическую капсулу,
397
тепловая мощность источника 117 Вт. Термоэлементы из PbTe
соединены последовательно в батарею из 60 пар (рис. Х.36). Ком-
мутация термоэлементов по горячей стороне производилась сталь-
ными пластинами, по холодной — медными зажимами. Изотопный
нагреватель и термобатарея с теплоизоляцией собраны в отдельном
стальном станке. Использована тепловая изоляция Min-K1301. Ста-
кан помещен в цилиндрический блок свинцовой (11 см) биологиче-
ской защиты. Для улучшения теп-
лоотвода в зазор между станком и
блоком залита ртуть. В начале
работы при температуре горячих
Рис. Х.36. Схема генератора для метеостанции, разработанного фир-
мой «Martin»:
1 — контейнер; 2, 6 — свинцовая защита; 3 — уровень ртути; 4 — термобатарея;
5 — топливо [42].
Рис. Х.37. Схема генераторов СНАП-7А и СНАП-7С с биологичес-
кой защитой:
1 — защита из обедненного урана; 2 — термоэлемент; 3 — топливо; 4 — корпус;
5 — теплоизоляция; 6 — ребро охлаждения [42].
спаев около 450° С и холодных 50° С термобатарея развивала напря-
жение 3,5—4,0 В, мощность 4,2 Вт при КПД 3,6%. Масса генерато-
ра 765 кг [42].
Дальнейшее развитие работ фирмы «Martin» связано с изготов-
лением генераторов серии СНАП-7 по заданию Военно-Морского
флота США. Генераторы СНАП-7А и СНАП-7С одинаковы по
конструкции, но используются для различных целей. Источник
тепла стронций-90 (40 000 Ки) загружен в четыре ампулы диамет*
ром 5,1 см. Ампулы помещены в квадратный тепловой блок. Тепло-
вая мощность изотопного источника 256 Вт. Поверхности блока, кон-
тактирующие с термоэлементами, изолированы окисью алюминия.
Термоэлементы изготовлены из материалов «Martin» дырочной про-
водимости (р = 1310 мкОм • см, х =0,0199 Вт/(см . К), а^= 210
мкВ/К, 2= 1,59 • 10"3 К-1) и «Транзитрон» электронной прово-
398
димости (р = 4300 мкОм • см, х — 0,0196 ВтДсм • К), а = 190
mkBzK, Z = 0,54 • 10“3 К-1). Количество элементов в термобатарее
60. При температуре горячих спаев 510° С и холодных 60° С разви-
ваемое генератором напряжение 5 В при мощности 11,6 Вт. По го-
рячей части элементы защищены слюдяными гильзами. Тепловой
блок и термобатарея помещены в оболочку, которая, в свою очередь,
помещена в полость биологической защиты из обедненного урана
толщиной 6,6 см (рис. Х.37). Снаружи корпус снабжен 36 ребрами
высотой 3,8 см для улучшенного теплоотвода. Масса генератора
850 кг, биологической защиты 106 кг [42]. Внутренняя полость ге-
нератора заполняется инертным
газом. При понижении мощности
генератора со временем инертный
газ может быть заменен другим,
с меньшей теплопроводностью, что
должно увеличить выходную мощ-
ность. Например, при замене ар-
гона криптоном мощность возра-
стает от 9,3 до 9,85 Вт.
Аналогичны по конструкции,
но имеют большую мощность гене-
раторы СНАП-7Б и СНАП-7Д. В
них топливо SrTiO3 (225 000 Ки)
в виде спеченных дисков помеще-
но в 14 ампул. Они помещаются
Рис. Х.38. Схема генераторов
СНАП-7Б и СНАП-7Д:
1 — термоэлектрический модуль; 2 —
термоэлемент; 3 — ребро охлаждения;
4 — топливо; 5—электрический вывод;
6 — изолятор Min-K; 7 — биологическая
защита (уран) [42].-
в отверстия шестиугольного теплового блока. Общая начальная
тепловая мощность блока около 1440 Вт. К плоским граням блока
через слюдяную изоляцию вмонтированы горячие спаи термоба-
тареи. Термоэлементы собраны в модули"по четыре штуки, пят1? мо-
дулей составляют одну плиту. Все шесть граней покрыты такими
плитами. Развиваемая электрическая мощность 68 Вт, напряжение
12 В. Схема генератора приведена на рис. Х.38. Биологическая
защита из обедненного урана толщиной 8,25 см. Масса генератора
2090 кг. Отличается от предыдущих моделей системой теплоотвода
от внешнего оребрения с помощью дополнительного теплоносителя.
Генераторы выдержали механические испытания: вибрации в трех
плоскостях с частотой 5—300—5 Гц в течение 15 мин при перегруз-
ках ±3g или смещениях 0,15 ± 0,015 см, у,дары по 3g с полушири-
ной импульса 6 мс. Усовершенствование генераторов СНАП-7Б
и СНАП-7Д произведено в конструкциях СНАП-23 [63], предназна-
ченных для питания береговых морских устройств и плавучих ав-
томатических метеостанций. Разрабатываются установки мощностью
26; 60; 100 и 200 Вт сроком службы 5—10 лет.
В США кроме серии СНАП разработаны изотопные генераторы
типа РТГ [63, 86], йредназначенные в основном для океанографи-
399
ческих исследований. В РТГ-1 использован строцций-90, развиваю-
щий тепловую мощность 44 Вт и электрическую 1 Вт. При разности
температур в термобатарее 155 К генератор развивает напряжение
18 В. Топливная камера цилиндрической формы с радиоактивным
веществом теплоизолирована, за исключением верхнего конца,
который контактирует с термобатареей. В устройстве применена
радиационная ‘защита из обедненного урана. Масса генератора
142,8 кг.
В генераторе РТГ-2 использована съемная свинцовая защита,
которая отделяется от корпуса на обеспечивающей безопасность
глубине; масса защиты 312,9 кг. Изотопное топливо — также строн-
ций-90. Тепловая мощность 44 Вт, электрическая 2 Вт, развиваемое
напряжение 18 В, срок службы 5 лет.
Генератор РТГ-3 с изотопным топливом плутоний-238 тепловой
мощностью 33 Вт развивает напряжение 10 В при электрической
мощности 1 Вт. Генератор не требует громоздкой защиты, поэтому
масса его составляет 4,38 кг, диаметр корпуса 9 см, длина 6,09 см.
Прибор стойкий к различным механическим перегрузкам. Срок
службы 20 лет.
Конструкция генератора РТГ-4 аналогична конструкции РТГ-1.
Содержит дополнительные элементы для придания прибору меха-
нической прочности при работе в условиях ударных нагрузок и боль-
ших ускорений. Использовано топливо стронций-90. Тепловая
мощность 23 Вт, электрическая — 0,3 Вт. Масса установки 108,7 кг,
диаметр 20,32 см, длина 22,5 см.
Генератор УРИПС-П-1 [63,89] изготовлен для питания берего-
вого светящегося знака, акустических маяков и радиотелеметри-
ческих курсоуказателей. В устройстве использовано изотопное топ-
ливо стронций-90 мощностью 46 Вт, электрическая мощность 1 Вт
при напряжении 24 В. Применена урановая защита. Масса установ-
ки 362,8 кг, диамеьтр 34,6 см, высота 49,96 см.
Для обогрева водолазных костюмов разработан генератор с
изотопным топливом тулий-171 или тулий-170 тепловой мощностью
400 Вт. Термобатарея электрической мощностью 5 Вт используется
для питания электрического насоса, обеспечивающего циркуляцию
в скафандре подогретой до 43° С воды и для питания ксеноновой
лампы. Масса прибора 16 кг, габаритные размеры 15 X 20 X 35 см,
срок службы — около двух лет [63, 74].
Во Франции для питания маяков и других целей разработаны
изотопные генераторы серии «Маргарита». В генераторе «Маргари-
та-2» применены изотоп стронций-90 и термобатарея из сплава Ge—
Si. Электрическая мощность 0,125 Вт, напряжение 0,5 В. В усовер-
шенствованном варианте «Маргарита-20» тепловая мощность увели-
чена до 265 Вт, электрическая — соответственно до 12,5 Вт при тем-
пературе горячих спаев термобатареи 900° С, холодных 250° С. Мас-
са установки 8 кг, КПД 4,7% [63, 79].
Под руководством Управления по атомной энергии в Англии
в атомном центре «Харуэлл» разработаны генераторы серии «Ripp-
le» [85]. Топливо генераторов стронций-90 (SrTiO3), термоэлектри-
ческий материал Bi2Te3. Свойства генераторов приведены в табл,.
Х.14, схема генератора — на рис. Х.39. В «Ripple-I» и «Ripple-II»
при 700 Ки получена тепловая мощность 4,4 Вт. Применена термо-
батарея из двух цепей термоэлементов (в каждой цепи 18термоэле-
400
ментов размерами 10 X 1,5 X 1,5 мм); при перепаде температуры
140 -К каждый термоэлемент развивал термоЭДС 0,022 В. При
использовании преобразователя получено напряжение до 6 В при
мощности 30 мВт. Масса «Ripple-I» 600 кг, «Ripple-II» — 230 кг.
Генератор предназначен для питания лампы-вспышки морских на-
вигационных установок. Конструкции более поздних вариантов
генераторов и их характеристики несколько улучшены. Генераторы
«Ripple-V», «Ripple-VI» и «Ripple-VII» в 1967 г. были установлены
в море и проработали успешно от 8 до 14 мес. Разработаны генера-
торы «Ripple-IX» и «Ripple-X» мощ-
ностью 4—40 Вт.
Малогабаритный переносный ис-
точник7 МИГ-67 с изотопом плуто-
ний-238 разработан во ВНИИРТ.
В приборе применена схема жесткого
крепления теплового блока с эла-
стичными теплопереходами термоэле-
ментов. Теплоотвод имеет вид радиа-
тора, который одновременно является
и корпусом прибора. Технический
ресурс 5 лет, электрическая мощ-
ность 1 Вт, номинальное напряжение
2 В [63].
„ В США разработан малогабарит-
. ный источник эталонного напряже-
ния СНАП-15А для микроэлектриче-
ских устройств и аппаратов «искусст-
венное сердце». Электрическая мощ-
Рис. Х.39. Схематическое изображе-
ние термогенератора «Ripple»:
1 — лампа-вспышка; 2 — преобразователь
тока; 3 — теплоизоляция; 4 — биологичес-
кая защита; 5 — изотопное топливо; 6 —
термоэлемент [50].
ность 1 мВт, напряжение 4,5 В, масса 0,453 кг, диаметр прибора
6,35 см, высота 12,7 см, срок службы 4—5 лет. изотопное топливо
плутоний-238 [63].
4. Подводные генераторы
Эти генераторы предназначены для питания различных установок
на больших глубинах.
Выбор изотопа для них обусловлен возможностью использо-
вать морскую воду для биологической защиты. Невысокие удель-
ные тепловыделения компенсируются конструкцией, в которой
использован тепловой концентратор.
Фирма «Martin» для этих целей разработала генератор
СНАП-7Е, аналогичный СНАП-7А. Он отличается уменьшенной
загрузкой топливом (32 000 Ки 90Sr) и пониженной электрической
401
мощностью (6,5 Вт). Кроме того, в биологической защите использова-
но литое железо. Генератор помещен в толстостенную оболочку (рис.
Х.40). При первых испытаниях возникла течь на глубине 3820 м.
Совершенствование конструкции подводных генераторов проводи-
лось по программам СНАП-21 и СНАП-23. Изготовлена серия гене-
раторов мощностью 10; 20 и 60 Вт. Источник тепла — четыре топ-
ливные ампулы со стронцием-90. Ге-
нераторы типа СНАП-21 предназна-
чены для использования на глубинах
до 7000 м. Срок службы 5 лет [42,
50, 63].
Изучен и рассмотрен ряд проек-
тов для подводных генераторов. В
частности, для удешевления топлива
предложено использовать смеси про-
дуктов деления, не требующие до-
рогостоящей очистки. Применение
изотопов с низкой удельной мощно-
стью приводит к увеличению топлив-
ных камер, поэтому целесообразно
отделить их от термобатареи, а пе-
ренос тепла осуществить циркули-
рующей жидкостью.
Фирма «Royal research» провела
этапы разработки генератора с топ-
ливом цезий-137 электрической мощ-
ностью 5 Вт. Генератор предназначен
для работы на глубине 7000 м.
Рис. Х.40. Схема подводного акустиче-
ского маяка с генератором СНАП-7Е:
/ — защита (обедненный уран); 2 — преоб-
разователь постоянного тока; 3 — электри-
ческий вывод; 4 — корпус; 5 — оборудова-
ние; 6 — батарея конденсаторов; 7 — окно
для проверки; 8 — термоэлектрический ге-
нератор; 9 — топливный блок; 10 — биоло-
гическая защита [42].
Разрабатываются генераторы повышенной мощности (до
100 кВт) на кобальте-60, стронции-90 и церии-144 для военных це-
лей, для питания антарктических станций и подводных установок.
5. Генераторы для космоса
Изотопные генераторы по надежности, массе и стоимости приемлемы
для питания космических аппаратов; в ряде случаев при длитель-
ной работе на поверхности планет или в тени, для питания радио-
зондов и других удаленных от Солнца космических объектов имеют
преимущества перед фотоэлектрическими и другими источниками
электрической энергии.
402
В СССР разработаны варианты генераторов с изотопным источ-
ником тепла полоний-210 [32]. Тепловой блок изготовлен в виде
плоского параллелепипеда размерами 60 X 60 X 13 мм из нержа-
веющей стали (рис. Х.41). Радиоактивное вещество помещено в ни-
келевую ампулу и две оболочки из нержавеющей стали. При загруз-
ке материала активностью 7700 Ки тепловая мощность в начале
работы составляла около 300 Вт. Термоэлементы изготовлены из
сплава (Зе—Si, средняя термоэлектрическая добротность которых
Рис. Х.41. Изотопный генератор с ?L0Po:
1 — токовый контакт; 2 — тепловой блок; 3 — термо-
элемент; 4 — струбцина для поджима термоэлементов
к тепловому блоку; 5 — корпус-излучатель [50].
в интервале 300—800° С 2=4 X 10“4 К”1. Термобатарея смонти-
рована в две секции по 16 термоэлементов. Длина термоэлемента
20 мм, поперечное сечение 8 мм2. Коммутация произведена молибде-
новыми пластинами, приваренными к никелевой фольге толщиной
0,02 мм. Горячие спаи термобатареи по двум большим плоскостям
охватывают тепловой блок. Термоэлементы прижимаются тарель-
чатыми стальными пружинами, которые надеты на болты, стяги-
вающие две половины корпуса. Температура горячих спаев 820—
860° С, холодных 240—250° С. Развиваемая в этих условиях бата-
реей ЭДС составляет 3,6—3,9 В. В табл. Х.15 приведены основные
параметры для генераторов № 5, 6 и 7. Корпус генератора изготов-
лен из дюралюминия. Две половины корпуса уплотнены термостой-
кой резиной, нижняя часть имеет ребра жесткости, верхняя допус-
кает прогиб 2 мм, который используется для прижима термобатарей.
403
Изотопные термоэлектрические генераторы для космоса
Разработчик, тип	Электрическая мощность, Вт	Напряже- ние, В	КПД, %	Изотоп	Ре- сурс	Защита
СССР, № 5	10,15	' ЭДС, 3,9	3,18	210ро	2000 ч	—
СССР, № 6	10,9	ЭДС, 3,6	3,41	210ро	2000 ч	—
СССР, № 7	9,65	ЭДС, 3,8	3,02	210ро	2000 ч	—
«Martin», СНАП-ЗВ1	2,4	3,5	5	2Юр0	—	Отсут- ствует
«Martin», СНАП-ЗВ2	2,5	3,5	—	21°р0	—	То же
«Martin», СНАП-ЗВ4	4,0	3,5	5,75	210ро	—	» »
«Martin», СНАП-ЗВ7	2,7	3,5	5,2	238ри	—	» »
«Martin», СНАП-ЗВ8	2,7	3,5	5,2'	238Ри	—	» »
«Martin», СНАП-9А	25	—	—	238рц	—	—
«Martin», СНАП-11	19	3	4,8	242Ст	6 мес.	Вольф- рам 3,8 см
«Martin», СНАП-11	13	3	5,2	242Ст	’2 мес.	—
«Martin», СНАП-11	20	—	—	242Ст	4 мес.	—
«Martin», СНАП-17	25—30	6,6	—	90Sr	3—5 лет	—
«Martin», СНАП-19	50	—	—	23Spu	—	—
404
Т а б л и ц а' X. 15
Материал термобатареи	Количество термоэлементов	Назначение	Масса, кг	Литера- турный источник
Ge—Si	16	Питание аппара- туры искусствен- ных спутников Земли	3,1 (без теплового блока)	[32, 50]
Ge—Si	16	То же	2,7 (без теплового блока)	[32, 50]
Ge—Si	16	» »	2,8 (без теплового блока)	[32, 50]
PbTe	27	» »	2,3	[42, 50]
PbTe	27	» »	1,8	[42, 50]
PbTe	27	» »	1,8	[42, 50]
PbTe	27	Спутник навига- ционный «Тран- зит-4»	2,1	[42, 50]
PbTe	27	То же	2,1	[42, 50]
PbTe	36	Питание навига- ционных спутни- ков	12,3	[42, 50]
PbTe	30	Для мягкой по- садки на Луну	7,5 (без защиты)	[42, 50]
CoSi	64	Для жесткой по- садки на Луну	2,8 (без защиты)	[42, 50]
—	—	Питание зонда «Сервейр»	—	[42, 50]
—	—	Питание спутника связи	13,6	[93]
—	—	Питание метео- спутника Земли «Нимбус»	—	[50, 56]
405
Разработчик, тип	Электрическая мощность, Вт	Напряже- ние, В	кпд, %	Изотоп	Ресурс	Защита	
«Martin», СНАП-27	56	—	4	288 ри	12 мес.	—	
Франция	0,3	—	4,7	210ро	—	—	
Франция	12,5	—	4,7	90Sr	—	—	
Свободное пространство корпуса заполнено теплоизоляцией, внешняя
поверхность покрыта тонким слоем термостойкой краски с коэффи-
циентом излучения еи = 0,85. Габаритные размеры генераторов:
№ 5—высота 128 мм, диаметр 195 мм; № 6—высота 126 мм, диаметр
196 мм; №7 — высота 210 мм, диаметр 190 мм. Площадь излучаю-
щей поверхности генератора № 7 составляет 900 см2. При испыта-
ниях после 2000 ч работы мощность источника тепла уменьшилась
в два раза, соответственно электрическая мощность снизилась до
2,52 Вт, КПД—до 1,55%. В 1965 г. такого типа генератор установлен
[49] на одном из одновременно запущенных спутников «Космос-80»,
«Космос-81», «Космос-82», «Космос-83», «Космос-84». После этого на
одном из искусственных спутников Земли типа «Космос» был уста-
новлен еще один изотопный термоэлектрический генератор большей
мощности.
Фирма «Martin» начиная с 1961 г. провела разработку генерато-
ра СНАП-1А мощностью 125 Вт и ресурсом 1 год. Радиоактивный
источник церий-144 с активностью 880 000 Ки реализовал тепловую
мощность 6500 Вт. Термоэлементы изготовлены из PbTe, количество
элементов в батарее 227. Из-за технических трудностей и в связи
с успешной эксплуатацией солнечных источников на первых искус-
ственных спутниках Земли работы по реализации СНАП-1А были
прекращены.
Разработана серия генераторов СНАП-3 малой электриче-
ской мощности (см. табл. Х.15). Первые варианты СНАП-ЗА1 и
СНАП-ЗА2 — экспериментальные — топливом не загружались.
Серия СНАП-ЗВ состояла из восьми моделей. Генераторы
СНАП-ЗВ1, СНАП-ЗВ2, СНАП-ЗВ4 были заряжены полонием-210
.активностью 1495 и 2170 Ки соответственно. Тепловая мощность
48; 55,6 и 69,6 Вт. В моделях СНАП-ЗВ7, СНАП-ЗВ8 использован
изотоп плутоний-238 (1600Ки); тепловая мощность 52 Вт. Применены
термоэлементы n-типа из PbTe с добавкой висмута (диаметром
0,57 см),р-типа — из PbTe с добавкой натрия (диаметром 0,53 см);
406
Продолжение табл. Х.15
	Материал термобатареи	Количество тер- моэлементов	Назначение	Масса, кг	Литера- турный источник
	PbTe, PbTe—SnTe	—	Питание аппара- туры на Луне, до- ставка космонав- тами	16,5	[50, 76]
	Bi—Те	—	—	0,5	[50]
	Ge—Si	—	—	8 (без защиты)	[42, 50]
длина термоэлементов 2,54 см. В генераторе термоэлементы вмонти-
рованьградиально вокруг топливного блока (рис. Х.42). Коммута-
ция по горячей части произведена железными пластинами, холодные
спаи прижаты к кольцу из алю-
миния. Изоляция между тепловым
блоком и термобатареей из окиси алю-
миния, ветви термоэлементов помеще-
ны в слюдяные втулки. Термоэле-
менты прижаты пружинами к тепло-
вому блоку. Корпус генератора ди-
аметром 12,1 см и высотой 14 см
Рис. Х.42. Схематический разрез ге-
нератора СНАП-ЗВ:
1 — электрические контакты; 2 — теплоизо-
лирующий порошок; 3 —термоэлемент; 4 —»
изотоп; 5 — изоляция; 6 — медная полусфе-
ра; 7 — топливный блок; 8 —паяный шов;
9 — пружина; 10 — поджимное устройство;
И — цоколь холодных спаев; 12 — электро-
изолирующая втулка; 13 — кольцо горячих
спаев; 14 — ампула [42].
изготовлен из двух медных полусфер и цилиндрической части, за-
полнен гелием при нормальном давлении. Утечкой гелия регулиро-
валась мощность генератора. Защиты от излучения не было. Гене-
раторы установлены на спутниках «Транзит-4А» и «Транзит-4В».
Выходная мощность в космическом пространстве уменьшилась на
10% из-за перегрева холодных спаев на 56К. Первый генератор
проработал в космосе несколько лет, второй —около 7 мес. [6-8].
Дальнейшее совершенствование конструкции проведено в
СНАП-9А. Здесь использовано топливо плутоний-238; термоэлементы
407
из. PbTe собраны в 36 модулей. Термобатарея развивала электри-
ческую мощность 25 Вт. Модули вмонтированы в корпус шестигран-
ной формы (рис. Х.43). Тепловой блок, как и в предыдущих моде-
лях, помещен в центре генератора. Применена тепловая изоляция
внутри генератора из материала типа Min- К- Для улучшения рассея-
ния тепла корпус снабжен шестью излучающими ребрами. Два ге-
нератора запущены в космос в 1963 г.
Генераторы типа СНАП-11 разрабатывались для мягкой и
жесткой посадок на Луну [42, 50]. Для предотвращения нарушения
природного баланса тяжелых элементов на лунной поверхности в
качестве топлива использован кюрий-242. В генераторе для мягкой
посадки тепловой блок изготов-
Рис. Х.43. Общий вид генератора СНАП-9А:
а — сверху; б — сбоку [42].
объем для накопления гелия. Топливо изготовлено из сплава,
состоящего из 6,3 г кюрия-242, 7,7 г америция и 70 г золота. Общая*
масса топлива 84 г, объем 4,6 см3. Продуктом распада кюрия-242
является плутоний-238. Температура горячих спаев батарей 538° С,
холодных 210° С, развиваемое при этом электрическое напряжение
3 В, мощность 19 Вт. В качестве термоэлектрического материала
генератора использован PbTe. Термоэлементы имеют длину 12,5 мм,
диаметр 8,5 мм (n-ветвь) и 9,2 мм (р-ветвь). Их количество в батарее
30. Коммутация термоэлементов произведена ^металлическими плас-
тинами, изоляция коммутационных пластин — окисью алюминия.
В варианте СНАП-11 для жесткой посадки на Луну предусмот-
рено применение прямоугольного теплового блока и термобатареи
(64 элемента) из силицида кобальта. Оси термоэлементов параллель-
ны направлению удара при посадке. Тепловая мощность изотопного
источника 250 Вт, активность изотопа 11 130 Ки. Температура на
горячих спаях 750° С, на холодных 240° С; развиваемое напряжение
3 В, электрическая мощность 13 Вт.
Разработан вариант СНАП-11 для зонда «Сервейр», рассчитан-
ный для мягкой посадки на Луму, проектной мощностью 25 Вт и
ресурсом 4 мес. Конструкция его подобна СНАП-11 для*мягкой
посадки. Проведены испытания опытного образца в 1966 г. в тече-
ние 90 дней; мощность генератора достигала 20 Вт при использова-
нии 20 г кюрия-242.
408
Для спутника связи разработан генератор СНАП-17 с изотопом
стронций-90 мощностью 25—30 Вт, напряжением 6,6 В при токе
3,8 А. Размеры прибора:'высота 31,75 см, диаметр 16,76 см; поверх-
ность излучателя 0,121^-м2. Масса генератора 13,6 кг, срок службы
3—5 лет. Генератор проработал на спутнике связи с 1963 по
1965 г. [90].
Генератор СНАП-27 изготовлен по программе «Аполлон» [63].
Изотопный источник плутоний-238 развивал тепловую мощность
1450 Вт. Изотоп помещен в ампулу диаметром 6,3 см, длиной 39,6 см.
Ветви термоэлемента из PbTe (ц-ветвь) и PbTe — SnTe (р-ветвь);
температура горячих спаев 590° С, холодных 275° С. Батарея раз-
вивала электрическую мощность 56 Вт. Диаметр генератора с во-
семью ребрами для рассеяния тепла 40 см, высота 46 см. Масса ус-
тановки 165 кг. Генератор оставлен на Луне для питания научной
аппаратуры и передачи информации на Землю в течение года [76].
Генератор СНАП-19, аналогичный СНАП-27, использован в
1969 г. на метеорологическом спутнике Земли «Нимбус». Электри-
ческая мощность его 50 Вт, изотопное топливо плутоний-238 [50].
Дальнейшее развитие конструкций генераторов этого типа произво-
дится с целью их применения при полетах к Юпитеру и Марсу.
В первом случае используются четыре генератора общей мощно-
стью 120 Вт, во втором мощность составляет 150—500 Вт, срок
службы — не менее двух лет. В генераторах двухкаскадные бата-
реи Ge—Si и PbTe с КПД 4,2%.
Разработаны и внедряются проекты изотопных генераторов по-
вышенных мощностей: СНАП-29 на полонии-210 мощностью 500 Вт
для обитаемых космических станций; генераторы на полонии-210,
плутонии-238, кюрии-244 с предельной для изотопных генераторов
электрической мощностью ГО кВт.
Ведутся разработки изотопных генераторов в Западной Европе.
Во Франции в 1966 г. изготовлен генератор на полонии-210 (210 Ки)
гепловой мощностью 6,4 Вт. Термоэлементы из Bi—Те, электри-
ческая мощность 0,3 Вт, КПД 4,7%, масса генератора 0,5 кг.
В 1968 г. изготовлен генератор с топливом из титаната стронция, термо-
элементы из Ge—Si, температура горячих спаев 900° С, развиваемая
электрическая мощность 12,5 Вт. В ФРГ,в 1965 г. демонстрировалась
модель космического генератора мощностью 50 Вт с КПД 6%.
Разрабатываются варианты генераторов с термоэлементами из
Ge—Si мощностью 10 Вт, КПД 6%. Фирма «Siemens — Schuckert
Werke» разрабатывает генераторы с термоэлементами из Ge—SL
мощностью 100—125 Вт, КПД до 6%; рассматриваются варианты
генераторов с различными источниками тепла и с различной
удельной мощностью. При использовании топлива стронций-90 по-
лучена удельная мощность 0,45 кг/Вт, плутоний-238 — 0,28кг/Вт,
кюрий-242 — 0,15 кг/Вт, актиний-227 — 0,12 кг/Вт [87].
§ 4. Реакторные генераторы
Реакторные генераторы с термоэлектрическими батареями могут
быть использованы для питания спутников-лабораторий, создания
мощных систем ретрансляторов радио и телевидения, обитаемых
баз на Луне и т. д. Такие генераторы перспективны для применения
409
-пт и» nw т°пчпгенепатооов с реакторным источником тепла
	VI ЩН СТЬ	. кВт	•ь		ЯГ				
. азработчик, тип	электри- ческая	теп- ловая	Электричесь напряжение,	кпд, %	Тип реактора	Отвод тепла от реактора	
					Действующие		
СССР, «Ромашка»	0,5—0,8	40	—	1,25- 2	Высокотем- пературный на быстрых нейтронах	Теплопро- водностью	
США, СНАП-10А	0,5	34	28,5	1,47	На эпитеп- ловых ней- тронах	Жидкостный теплоноси- тель	
						Проекты	
США, СНАП-10	0,25—0,3	15	—	1,66	На тепло- вых нейтро- нах	Теплопро- водностью	
С переносом тепла излу- чением	5	260	—	1,92	На быстрых нейтронах	Излучением	
С теплоно- сителем	50	1000	—	5	На тепло- вых нейтро- нах	Жидкостный . теплоноси- тель	
С теплоно- сителем	100	25000	- —	4	На тепло- вых нейт- ронах	Теплоноси- тель	
для энергообеспечения обитаемых подводных лабораторий, автомати-
ческих станций и др. [35, 50, 63, 92].
К настоящему времени созданы как варианты действующих тер-
моэлектрических устройств с ядерными реакторами, так и многочис-
ленные проекты различного назначения и мощности. Ниже рассмат-
риваются наиболее характерные из них. Основные параметры гене-
раторов приведены также в табл. X. 16.
В СССР изготовлен высокотемпературный реакторный гене-
ратор на быстрых нейтронах «Ромашка» мощностью 0,5 кВт. Его
схема приведена на рис. Х-44. Тепло от реактора, расположенного
410
Таблица Х.16
	Топливо	Материал термоба- тарей	Количество тер- моэлементов	Масса, кг	Ресурс	Назначение	Литера- турный ист чн ик
	термогенераторы						
	Уран-235	Ge—Si	—	—	15 000 ч	Питание космичес- ких аппа- ратов	|48]
	—	Ge—-Si	2880	435	120 дней	То же	[50, 63]
	Гидрид цирко- ния	PbTe, GeBiTe Pbje	768 1000	272 508 (без за- щиты)	—	» »	[50, 63] [20]
	То же	PbTe	20 000	—	—	Питание глубинных подводных установок	[50]
	—	PbTe, BiSbTe, BiSnTe, BiSeTe— PbSeTe	3570	—	4 года	То же	[50]
в центре генератора, по теплопроводящим материалам передается
цилиндрической термобатарее,охлаждение ее холодных спаев произ-
водится ребристым излучателем. В реакторе использовано 49 кг
урана-235 (90% обогащения). Активная зона реактора состоит из
11 дисковых твэлов, помещенных в графитовые кассеты, радиаль-
ного отражателя из графита и внешнего отражателя из металличе-
ского бериллия. Торцовые отражатели изготовлены также из берил-
лия. Автоматическое и ручное регулирование мощности и аварийная
защита производятся четырьмя стержнями и нижним отражателем.
Температура в центре реактора 1800° С? температура торцового
411
отражателя на внутренней поверхности 1200® С, на внешней 1000® С.
Тепловая мощность реактора 40 кВт. Термобатарея из-
готовлена из термоэлементов из Ge—Si (15% Ge)> закрепленных
в стальном цилиндрическом корпусе.
Рис. Х.44. Схема установки «Ромашка»:
/ — ребро излучателя; 2 — термоэлементы; 3 — регулирующий стержень;
4 -г- корпус установки; 5 — верхний отражатель; 6 — активная зона; 7—*
боковой отражатель [48].
Термоэлементы разделены на четыре группы, в каждой по че-
тыре параллельные цепи. Установлена слабая зависимость свойств
Ge—Si от нейтронного облучения, имевшего место в генераторе.
Контакт горячих спаев термоэлементов е реакторным отражателем
обеспечивался сильфонами 6 инертным газом. Установка была пу-
щена в работу в августе 1964 г., электрический ток полезной нагруз-
ки достигал 88 А. Генератор без существенных изменений электри-
ческой мощности проработал до апреля 1966 г. [48].
412
Установка СНАП-10 несколько меньшей мощности разработана
в США. В ней использован реактор на тепловых нейтронах мощно-
стью 15 кВт. Схема генератора приведена на рис. Х.45. Топливо
реактора уран-235 с замедлителем — гидридом циркония. Твэлы
цилиндрические, плоские; между ними размещены диски из берил-
лия для отвода тепла из активной зоны, отражатели также берил-
лиевые. Две половины реактора перед пуском отделены друг от дру-
га, при выводе генератора на заданную орбиту они сближаются,
реактор запускается и переводится в режим саморегулирования.
Термоэлементы вмонтированы к отражателю; n-тип изготовлен из
РЬТе,р-тип — из GeBiTe. Батарея из 768 элементов при температуре
горячих спаев 538° С и холодных 344° С развивает мощность 250—
300 Вт [50]. Расчетная масса установки с защитой 272 кг. Работы
по изготовлению СНАП-10 не были завер-
шены.
Термогенератор СНАП-10А изготовлен
фирмой «Atomic Internation» (США). В нем
применен реактор на эпитепловых нейтронах
тепловой мощностью 34 кВт. В реакторе ис-
пользовано 4,8 кг урана-235 в циркониевой
матрице. Топливо изготовлено из 37 элемен-
тов, помещенных в активную зону, которая
размещена в корпусе из нержавеющей стали
Рис. Х.45. Генератор СНАП-10:
/ — теплопроводящая пластина; 2 — горючее; 3 — бе-
риллиевый отражатель; 4 термобатарея; 5 — ребра
излучателя [73].
и окружена бериллиевым отражателем. Регулировка реактора
производилась четырьмя полуцилиндрическими секциями, поворот
которых увеличивал или уменьшал утечку нейтронов из реактора.
Двумя секциями реактор выводился в рабочий режим, поворотом
еще двух регулировалась его мощность.
Реактор и термобатарея разделены, тепло от реактора переноси-
лось к батарее жидким теплоносителем из эвтектики NaK, прокачка
производилась электромагнитным насосом. Термоэлементы диамет-
ром 12,7 мм и длиной 10 мм изготовлены из сплава Ge—Si,
добротность Z — 0,58 • 10~3К~х. Термоэлементы собраны на теп-
лоносящей трубке (на каждой трубке по три модуля из 72 элемен-
тов), каждый элемент отделен от трубки тонким диском из окиси
алюминия (рис. Х.46). Коммутация по горячей стороне произведем
на медными шинами, а по холодной — алюминиевыми пластинами-
излучателями. Всего изготовлено 120 модулей, включенных в по-
следовательно-параллельную схему. При такой коммутации дости-
гается 99%-ная надежность работы после, запуска ракеты. Всего
в термобатарее 2880 элементов, развивающих мощность 500 Вт при
напряжении 28,5 В. При температурах горячего спая 485° С, холод-
ного 315° С тепловая мощность через термобатарею 30 кВт, КПД
преобразования 1,6%. В генераторе применена защита от нейтронов
и Y-радиации в виде пластин гидрида лития массой 98 кг. Масса ус-
тановки 435 кг, высота 347 см, диаметр основания 132 см. Генератор
был выведен на орбиту (на высоту около 1300 км), проработал 43 дня
413
в заданном режиме, после чего из-за неисправности регулятора напря-
жения был автоматически отключен.
В США разрабатывался реактор СНАП-8 для работы в сочета-
нии с термоэлектрической батареей из PbSe. Реактор состоял из 211
гвэлов общей мощностью 600 кВт, тепло из горячей зоны уносилось
Рис. Х.46. Термоэлектрический модуль СНАП-10А:
/ — и злучатель; 2 — термоэлемент; 3 — трубка с теплоносителем; 4 —»
изолятор; 5 — коммутирующая пластина; 6 — вольфрамовые шайбы [50].
Рис. Х.47. Реакторный термогенератор с передачей тепла из-
лучением:
/ — реактор; 2 — теневая защита; 3 — рама; 4 — стержни крепления
реактора; 5 — термоэлементы; 6 — внешняя оболочка-излучатель; 7
внутренняя оболочка — приемник излучения.
Рис. Х.48. Проект термогенератора мощностью 50 кВт глубин-
ного подводного использования:
/ — компенсатор объема; 2 — термоэлементы; 3 — корпус давления; 4 —»
пластина системы регулирования мощности реактора; 5 — активная зо-
на; 6 — привод системы регулирования; 7 — отверстие для слива горя-
чей воды из реактора; 8 — опорный цилиндр; 9 — теплоизоляция; 10 «
шаровой бак.
414
жидким теплоносителем. Электрическая мощность генератора 5—20 кВт,
срок службы 3—5 лет.
На основе конструкции СНАП-ЮА и СНАП-8 разработаны про-
екты термоэлектрических установок для обитаемых космических ор
битальных станций и подводных установок [50, 63, 82].
Разработан также проект генератора с реакторами тепла на
быстрых нейтронах, в котором передача тепла термобатарее осу-
ществляется излучением [20, 50]. Реактор в виде шара диаметром
60 см помещается в центре сферической оболочки и удерживается
там 16 стержнями. Топливо реакто-
ра — карбид урана (рис. Х.47).
Между внутренней и внешней обо-
лочками размещены термоэлементы
из PbTe. Внутренняя оболочка по-
глощает .излучение реактора, пре-
образует его в тепловую энергию и
разогревает горячие спаи термоэле-
ментов; внешняя оболочка тепло-
отводящая, площадью 14,8 м2, пред-
назначена для эффективного рассея-
ния тепла. Температура в центре ре-
актора 1970° С, на его поверхности
-1245° С, температура горячих спаев
термоэлементов 700° С, холодных
спаев 493Q С. Диаметр генератора
Рис. Х.49. Проект термогенератора
мощностью 100 кВт:
1 — термобатарея; 2 — верхний корпус дав-
ления; 3 — трубопровод теплоносителя; 4—
активная зона реактора; 5 — нижний кор-
пус давления; 6—опорная конструкция
228 см, диаметр п-ветви термоэлементов 0,71 см, р-ветви 0,57 см,
длина 0,63 см. Рассчитанные параметры генератора приведены
в табл. X. 16.
Проект генератора для работы под водой представлен на рис.
Х.48. Цилиндрическая активная зона содержит НО твэлов из смеси
обогащенного урана и гидрида циркония (92%). Тепло из активной
зоны уносится жидким теплоносителем к термобатарее. Тепловая
мощность реактора 1000 кВт. Термобатарея из PbTe, количество
термоэлементов 20 тыс.; при температуре горячих спаев 288° С
и холодных 10° С электрическая мощность 50 кВт, КПД преобра-
зования 5%. Размеры корпуса давления: высота —4,57 м, диа-
метр — 0,81 м [50].
Фирма «Martin» разработала проект генератора ‘ мощностью
100 кВт [77] (рис. Х.49). Реактор на топливе UO2. Максимальная
температура твэлов 1080° С, средняя температура поверхности топ-
лива 346° С, тепловая мощность 2500 кВт. Тепло к термобатарее
переносится теплоносителем. Термоэлементы каскадные: п-ветвь в
горячей части из PbTe, в холодной — из BiSeTe, р-ветвь в горячей
415
части из CiSnTe, в холодной — из BiSeTe—PbSeTe; высота термо-
элементов 9,6 мм, площадь поперечного сечения 20 см2. В термоба-
тарее 3570 элементов; при температуре горячих спаев 285° С, холод-
ных 60° С развиваемое напряжение 40 В, ток 3300 А. Высота 'гене-
ратора 5,5 м, диаметр 3,05 м, масса 45,4 т, глубина погружения до
5600 м, срок работы до 4 лет.
Эта же фирма разработала проект реакторного генератора мощ-
ностью 100 кВт, в котором в качестве теплоносителя используются
пары фосфида серы P4S3, которые конденсируются на горячих спа-
ях термоэлементов. Жидкий фосфид серы врзвращается обратно в
реактор [88]. В литературе описаны и другие аналогичные проекты.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Абдуллаев Г. Б., Кулиев А. 3., Малевский 10. Н., Файзиев П. Р. Полупровод-
никовый термоэлектрический трансформатор тепловой энергии.— Гелиотех-
ника, 1967, № 6, с. 3—8.
2.	Абдуллаев Г. Б., Кулиев А. 3., Файзиев П. P.f Охотин А. С. Полупровод-
никовый солнечный термоэлектрогенератор с разновысокими термоэлемен-
тами.—Гелиотехника, 1968, № 5, с. 3—7.
3.	Акрамов X. Т. Коэффициент полезного действия термогенератора при нерав-
номерном нагреве.—В кн.: Использование солнечной энергии в народном
хозяйстве СССР. М., 1965, с. 5—10.
4.	Акрамов X. Т. Обзор термоэлектрических свойств материалов, пригодных
для создания солнечных установок.—В кн.: Использование солнечной энер-
гии в народном хозяйстве СССР. М., 1965, с. 11—18.	,
5.	Акрамов X. Т., Малевский Ю. И. Оптимизация весовых и энергетических ха-
рактеристик солнечного термогенератора с естественным охлаждением.— Ге-
лиотехника, 1966, № 3, с. 6—10.
8.	Акрамов X. Т., Маков Н. В. Коэффициент полезного действия термогенера-
тора с полостным приемником солнечной энергии.— Гелиотехника, 1970, Кг 2,
с. 32—40.
7.	Алатырцев Г. А., Баум В. Л., Малевский Ю. H.t Охотин А. С. Солнечный
термогенератор мощностью 10 Вт.—Теплоэнергетика, 1961, № 3, с. 73—81.
8.	Алатырцев Г. А., Баум В. А., Малевский Ю- Н., Милевская Н. Г. Экспери-
ментальный солнечный термоэлектрогенератор.— В кн.: Преобразователи
солнечной энергии на полупроводниках. М., 1968, с. 7—12.
9.	Алексеев Г. Н. Непосредственное превращение различных видов энергии в элек-
трическую и механическую.— М.; Л.5 Госэнергоиздат, 1963.—336 с.
10.	Аннаев А. И. Концентратор солнечного излучения с улучшенной равномер-
ностью распределения энергии по плоскому приемнику.— Изв. АН ТССР. Сер.
физ.-техн. и геол, наук, 1962, № 3, с. 12—19.
11.	Апариси Р. Р., Гарф Б. А. Использование солнечной энергии.—М.! Изд-во
АН СССР, 1958,—60 с.
12.	Апариси Р. Р. Зеркальные отражатели солнечных полупроводниковых гене-
раторов.— Теплоэнергетика, 1961, № 3, с. 13—20.
13.	Аразмедов Б. Изучение работы солнечного термоэлектрогенератора при раз-
личных плотностях лучистого потока.—Изв. АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим.
и геол, наук, 1962, № 2, с. 19—25.
14.	Аразмедов Б. Некоторые вопросы расчета эффективности солнечного термо-
генератора.— Изв. АН ТССР. Сер. физ.-техн., хим. и геол, наук, 1962, № 1#
с. 16-23.
15.	Аразмедов Б. Оптимальный режим работы солнечного термоэлектрогенератора
при наличии тепловых контактов.—Гелиотехника. 1969, № 2, с. 3—8.
16.	Арифов У. А,, Кулагин А. И. Термоэлектрические преобразователи тепловой
энергии в электрическую.— Гелиотехника, 1965, № 1, с. 6—15.
17.	Арифов У. А., Акрамов X. Т., Джалилов Б. Н. и др. Солнечный термогене-
ратор с цилиндрическим гелиоприемником.— Гелиотехника, 1967, № 3, с. 3—6.
18.	Арифов У. А., Кулагин А. И. Некоторые вопросы гелиоэнергетики в СССР.—
Гелиотехника, 1968, № 3, с. 5—14.
19.	Баранов В. И., Мучкин Г.Ф., Трущее с кий С. Н. Исследования высокотемпе-
ратурных приемников и тепловых аккумуляторов солнечной энергии.— В кн.|
Преобразователи солнечной энергии на полупроводниках. М., 1968, с. 176—183.
20.	Бармаш М. Непосредственное преобразование энергии с использованием ядер-
ных источников тепла.—В кн.: Термоэлектрические материалы и преобра-
зователи. М., 1964, с. 289—332.
416
21.	Баум В. А., Охотин А. С. Результаты испытаний опытных солнечных термо-
электрогенераторов.— Теплоэнергетика, 1957, № 8, с. 68—70.
22.	Баум В. А., Охотин А. С. Методика расчета солнечных термоэлектрических
генераторов.— ИФЖ, 1959,2, № 11, с. 29—34.
23.	Баум В. А., Боровикова Р. Н., Охотин А. С. Использование солнечной энер-
гии для выработки электроэнергии путем непосредственного трансформиро-
вания с помощью термоэлектрических конвертеров и эмиссионных фотоэле-
ментов. Доклад 35/5/12.— В кил Материалы конф. ООН по новым источни-
кам энергии. Рим, 1961.
24.	Баум В. А., Бяшимов М. Массообмен в камерах солнечных печей.— Гелио-
техника, 1967, № 1, с. 43—48.
25.	Баум В. А., Миллионщиков М. Д. Новые источники и методы производства
электроэнергии.— В кн.: VII Мировая энергет. конф.,- Москва, 20—24 авг.
1968 г. М., 1968, генер. докл. № 7, 22 с.
26.	Бернштейн А. С. Термоэлектрические генераторы.—М.; Л..’ Госэнергоиздат,
1956.—48 с.
27.	Бернштейн А. С. Термоэлектричество.—М.! Гостехиздат, 1957.—56 с.
28.	Брынских И. А. Влияние неравномерного нагрева термоэлементов батареи на
ее коэффициент полезного действия.— Изв. АН УзССР. Сер. физ.-мат. наук,-
1962, № 1, с. 84—86. .
29.	Владимирова Л. И., Гарф Б. А.,- Шеклеин А. В. Применение селективных
покрытий в солнечных термоэлектрогенераторах.— В кн.: Преобразователи
солнечной энергии на полупроводниках. М , 1968, с. 199—204.
30.	Воронин А. Н. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы. — Л.: ЛДНТП,-
1957.—46 с.
31.	Воронин А. Н. А. с. 123378 (СССР). Солнечный термоэлектрогенератор.—
Опубл. 30.06.58.	*“•
32.	Воронин А. Н., Гвердцители И. Г., Гринберг Р. 3. и др. Термоэлектриче-
ские генераторы с изотопным источником тепла.— Дркл. № р/318-СССР, пред-
ставл. на Ш Междунар. конф, по мир. использ. атом, энергии. Женева, 1964.—
18 с.
33.	Гаибназаров М., Милевский Ю. Н., Резголь И. А. Энергетические характе-
ристики солнечного термоэлектрогенератора.— В кн.? Преобразователи сол-
нечнрй энергии на полупроводниках. М.,- 1968, с. 12—17.
34.	Даниель-Бек В. С.,- Рогинская И. С. Термоэлектрогенераторы.— М.: Связь-
издат, 1961.—54 с.	‘ -
35.	Дикамп X. М., Балент Р., Уэтч Д. Р. Непосредственные реакторные кон-
вертеры.—Докл. № р/218, представл. на III Междунар. конф. ООН по использ.
атом, энергии в мир. целях. Женева, 1964.—37 с.
36.	Захидов Р. А., Тепляков Д. И. Тепловые режимы цилиндрических полостных
приемников высокотемпературных преобразователей солнечной энергии.—
В кн.: Преобразователи солнечной энергии на полупроводниках. М., 1968,
с. 126—134.
37.	Иорданишвили Е. К. Термоэлектрические источники питания.— М.: Сов. ра-
дио, 1968.—183 с.
38.	Использование солнечной энергии при космических исследованиях.— Мл Мир,
1968.—415 с.	'
39.	Кампайна Р., Роус Дж. Предварительная разработка конструкций и оценка
характеристик солнечного термоэлектрического плоского генератора.— В кн.:
Энергетические установки для космических аппаратов. М., 1964, с. 131—147.
40.	Кесельман Г. С. Применение термоэлектрогенераторов для катодной защиты
подземных металлических сооружений.— М.: ЦНИИТЭнефтегаз, 1964.—20 с.
41.	Козлов В. Ф., Трошкин Ю. С. Справочник по радиационной безопасности.—
М.: Атомиздат, 1967.—276 с.
42.	Корлисс У., Харви Д. Источники энергии на радиоактивных изотопах.— М.:
Мир, 1967.—414 с.
43.	Кротко А. Н. Источники тока в системах связи магистральных трубопрово-
дов.— М.! Недра, 1974.—47 с.
44.	Кулагин А. И., Маков И. В. Использование солнечной энергии для кондицио-
нирования воздуха с применением полупроводников.— Гелиотехника, 1967,
№ 6, с. 21—25.
45.	Лэнг Р., Любин Б. Соответствие экспериментальных и теоретических харак-
теристик единичного блока солнечной энергетической установки с термоэлек-
трическим преобразователем.—В кн.: Использование солнечной энергии при
космических исследованиях. М., 1964, с. 281—306.
46.	Малевский Ю. И., Смирнова А. И., Тарнижевский Б. В. Исследование фото-
термоэлектрического преобразователя солнечной энергии.— Гелиотехника,
1968, № 3, с. 26—29.
47.	Малевский Ю. И., Милевская И. Г. Влияние линейного распределения тепло-
вого потока на эффективность 'термоэлектрогенератора.— В кн.; Преобразо-
ватели солнечной энергии на полупроводниках. М-,- 1968, с. 18—25.
14 9-413
417
48.	Миллионщиков М. Дч Гвердцители И. Г., Абрамов А. С. и др. Высокотем-
пературный реактор-преобразователь «Ромашка».—Атом, энергия, 1964, 17s
№ 5, с. 329—335.
49.	Петросъянц А. М. Ядерная энергетика и мирное применение атомной энергии.—*
В кн.: Развитие физики в СССР. M.f 1967, кн. 2, с. 300—326.
50.	Поздняков Б. С., Коптелов Е. А. Термоэлектрическая энергетика.— Мл
Атомиздат, 1974.—263 с.
51.	Преобразователи солнечной энергии на полупроводниках.— М.5 Наука, 1968.—
222 с.
52.	Радиоизотопные термоэлектрические генераторы. [Б. м.]5 Всесоюз. об-ние
«Изотоп», 1973.—6 с.
53.	Радиоизотопный термоэлектрический генератор «Бета-М» (Г-90-8/6). [Б. м.]5
Всесоюз. об-ние «Изотоп», 1974.—2 с.
54.	Ронклоув П. Состояние разработки солнечных термоэлектрических систем.—
В кнл Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и топлив-
ные элементы. М., 1966, № 9, с. 68—91.
55.	Рубанович И. М. Определение оптимальных размеров высокотемпературных
цилиндрических полостных приемников солнечной энергии.— Гелиотехника,
1965, № 4, с. 11—22.
56.	Соминский М. С. Полупроводники.—Л Л Наука, 1967.—410 с.
57.	Телкес М. Солнечные термоэлектрические генераторы.— В кнл Полупровод-
никовые преобразователи энергии излучений. М., 1959, с. 336—364л
53.	Тепляков Д. И., Аннаев А. Н. Исследование оптимальной геометрии приемников
для точных зеркальных гелиоустановок.— Теплоэнергетика, 1961, № 3, с. 21 —
30
59.	Тепляков Д. И., Апариси Р. Р. Оптимальная геометрия солнечных полупро-
водниковых термобатарей.— Теплоэнергетика, 1960, № 2, с. 88—98.
60.	Тепляков Д. И., Апариси Р. Р , Колос Д Г. и др. Калориметрические иссле-
дования концентратора солнечной термоэлектрической водоподъемной уста-
новки.— В кн.: Преобразователи солнечной энергии на полупроводниках. М.*
1968, с. 109—125.
61.	Термоэлектрический генератор УГМ-1: Проспект ВДНХ.—МЛ Информэлек-
тро, 1975.—2 с.
62.	Термоэлектрический генератор УГМ-100 СХ на газообразном топливе! Прос-
пект ВДНХ.— МЛ Информэлектро, 1975.—2 с.
63.	Термоэлектрические генераторы/А. С. Охотин, А. А. Ефремов, В.С. Охотин*
А. С. Пушкарский.— Мл Атомиздат, 1976.— 320 с.
64.	Термоэлектрические генераторы серии ПМГ.—Киев5 Наук, думка, 1975.—
2 *с.—(Информ. письмо/Ин-т техн, теплофизики; № 11).
65.	Термоэлектрические генераторы на газообразном топливе УГМ-Ю, УГМ-80,
УГМ-200Т? Проспект выставки «Связь-75».— М.: Внешторгиздат, 1975.—2 с.
66.	Файнзильбер Э. М., Драбкин Л. М. Использование тепла отработавших газов
двигателей в термоэлектрическом генераторе для питания элементов электро-
оборудования автомобилей.— Автомоб. пром-сть, 1966, № 7, с. 9—10.
67.	Фрадкин Г. М., Кодюков В. М., Рагозинский А. И. и др. Изотопные источ-
ники электрической энергии для питания автоматических метеорологических
станций.—Атом, энергия, 1968, 24, № 2, с. 203—204.
68.	Фрадкин T.M.t Кодюков В. М. Радиоизотопные термоэлектрические генера-
торы.— Атом, энергия, 1969, 26, № 2, с. 169—175.
69.	Цераский В. К. Русский астрономический календарь. 1909.— Нижний Новго-
род, 1909.—294 с.—(Кружок любителей физики и астрономии).
70.	Черкасский А. X. Тепловые изоляторы для термоэлектрических преобразова-
телей энергии.—Электроника и энергетика, 1969, № 8, с. 165—168.
71.	Шеклеин А. В. К вопросу о применении селективных покрытий в солнечных
термогенераторах.— Гелиотехника, 1968, № 1, с. 42—48.
72.	Эдварус Д. К., Роддик Р. Д. Спектральные и угловые характеристики теп-
лового излучения поверхностей для сброса тепла излучением.— В кнл Пря-
мое преобразование тепловой энергии в электрическую и топливные элементы.
М., 1966, № 11, о. 105—114.
73.	Энергетические установки для космических аппаратов.— Мл Мир, 1964.—395 с.
74.	Barnhart R. G. Isotope — fueled diving — suit claimed to function two years.—
Technol. Week, 1966, 19, N 3, p. 39.
75.	Baum V. A. The conversion of solar energy into electricity.—Solar. Energy*
1963, 7, N 4, p 180-187.
76.	Cohen R. M. Application of the SNAP-27 radioisotope power generator of the
Apollo mission.—Trans. Amer. Nucl. Soc., 1966, 9, N 1, p. 164—165.
77.	Dufrane К. H. An 100 kWe underwater thermoelectric reactor plant.— Trans.
Amer. Nucl Soc., 1963, 6, N 2, p 319 — 320.
78.	Egli P. H. Progress in thermoelectricity.— IRE Trans. Mil. Electron., 1962,
6, N 1, p. 27—34.
418
79.	Em tragbarer thermoelektrischer Generator.—Elekfrofechn. Z. B, 1962, 14, N 26,
S. 709.
80.	Freund J. Les g€nerateurs d’electricite a radio-isotopes et & conversion thermo-
Slectrique.— Energ. nucl. (France), 1968, 10, N 7, p. 430—444.
81.	Fritts R. W. The development of thermoelectric power generators.—* Proc. IEEE,
1963, 51, N 5, p. 713—721.
82.	Gylfe J- D. 25 kW reactor thermoelectric power system for manned orbiting
space station.—Petrol. Ind. Electr. New.-, 1966, 34, N 8, p. 808.
83.	Hawkins W. K. Thermoelectric generator.— In: Proc.’Conf. 11th Nat. Conv.
New York, 1960, p. 218.
84.	Herchakowski A. 100 watt thermoelectric generator development.— In: Proc.
20th Ann. Power Sources Conf. New York, 1966, p. 155—159.
85	Isotopic thermoelectric generators.— Atom, 1968, № 137, p. 65—67.
86.	Lyon W. C., Bustard T. S., Hiebert A. C. 10- to 100-mW radioisotope genera-
tors.— Nucl. Applic., 1968, 4, № 2, p. 79—87.
87.	Morse J. G. Isotopic power in Europe.—Nucl. News (USA), 1966, 9, N 5, p.
24-29.
88.	Murphy С. E. P4S3—cooled thermoelectric reactor plant.—Trans. Amer. Nucl.
Soc.,1963, 6, N 2, p. 320—321.
89.	Neild A. B. Thermoelectric generators for military portable power: SAEPrepr.,
N 670452. [S.I.; S.a.]. 10 p.
90.	Poole M. J. Isotope powered generators using thermoelectric convertors.—
J. Brit. Nucl. Energy Soc., 1967, 6, N 3, p. 206—218.
91.	Price J. P., Swede K. Thermoelectric generator protects remote Montana pipe-
line.—Liquid Petrol, gas, 1964, 40, N 7, p. 83—84.
92.	Pushkarsky A. S., Okhotin A. S. Radioisotopic and reactor thermoelectric con-
verters of energy.— Atom. Energ. Rev., 1971. 9, N 2, p. 251—346, 471, 473,
475.
93.	Solar cells continue in lead as most reliable solar energy conversion device.—
Missiles and Rockets, 1964, 14, N 22, p. 52—57.
94.	Thermoelectric generators fueled by natural gas.— Petrol. Ind. Electr. News,
.	1966, 34, N 8, p. 47—51.
95.	Utilizacidn de la energia solar para riego.—Teen. Ind., 1966, 44, N 613$
p. 43—44.
14’
Глава XI. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ
УСТРОЙСТВА
Применение термоэлектрического охлаждения в различных устрой-
ствах обусловлено рядом его достоинств: возможностью создания
миниатюрных охлаждающих устройств, где применение иных спо-
собов охлаждения встречает существенные трудности; практически
неограниченным ресурсом работы; отсутствием в охлаждающих си-
стемах рабочих жидкостей и газов, а следовательно, отсутствием
опасности загрязнения окружающего пространства; независимо-
стью параметров холодильника от ориентации в пространстве или
влияния поля тяжести; возможностью работы при больших меха-
нических перегрузках; возможностью регулирования и статиро-
вания температуры путем регулирования тока питания; быстро-
действием и возможностью получения заданной временной зависи-
мости. В настоящее время количество предприятий и фирм, разра-
батывающих и изготовляющих термоэлектрические устройства для
охлаждения, непрерывно возрастает: только в США, по данным
работы [46], в 1961 г. их было около 20, в 1963 г. — более 50, в
1972 г. — более 300. Приведенные ниже варианты приборов, хотя
и не охватывают полностью всего разнообразия разработанных к
настоящему времени устройств с термоэлектрическим охлаждением,
однако характеризуют общие тенденции применения термоэлектри-
ческого охлаждения.
Сведения о приборах и устройствах с термоэлектрическими хо-
лодильниками ряда зарубежных фирм взяты из обзоров [21, 44,
46, 60] и работ [61—68, 70, 71].
§ 1. Термоэлектрические модули
Полупроводниковые термоэлектрические модули представляют со-
бой унифицированные одно- или многокаскадные термобатареи из
последовательно или параллельно-последовательно включенных
термоэлементов.
Термоэлектрические модули характеризуются системой пара-
метров:
оптимальным током /, А;
оптимальным напряжением U, В;
перепадом температуры ДТ, К ;
холодильным коэффициентом в;
420
холодопроизводительностью Qo, Вт;
потребляемой электрической мощностью, Вт;
мощностью, рассеиваемой теплоотводом, Вт.
Значения параметров приводятся для определенных режимов
работы: при максимальном снижении’ температуры (Qo = 0), мак-
Таблица XI.1
Параметры термоэлектрических модулей «Селен»
Модуль	То, К	Л)пт»	^ОПТ’ В	Аймаке» К	Qo (при 1 = = 1/г^опт» ДТ =30° С), Вт	$х» sr»' мм2	3
С1-16	298	86±9	1,9	50	16	67x56,2	7
С2-7	298	31 ±3	2,0	50	7	39,5 X 39,5	7
СЗ-4	298	14±1,5	2,3	50	4	27,5x32	7
С4-2	298	14 ±1,5	1,1	50	2	19X23	7
С5-1	298	14± 1,5	0,7	50	. 1	19Х 14,5	7
симальном холодильном коэффициенте, максимальной холодопроиз-
водительности, при заданной тепловой нагрузке, в промежуточных
режимах. Соотношения, которыми описываются эти параметры,
приведены в гл. IV.
’ Модули описываются также конструктивными параметрами
Таблица XI.2
Распределение термо-
электрических модулей
«Селен» по отклонениям
(размерами ветвей, габаритными размерами, числом термоэлемен-
тов, площадью рабочей поверхности),
условиями эксплуатации (температурой
окружающей среды, ° С; относительной
влажностью воздуха, %; давлением воз-
духа, мм рт. ст.; стойкостью к ударным
нагрузкам и вибрациям), надежностью
работы и ресурсом. Кроме параметров
свойства модуля описываются харак-
теристиками: вольт-амперными, зависи-
мостями разности температур спаев от
протекающего через модуль тока, зави-
симостями разности температур спаев
от тепловой нагрузки.
В табл. XI. 1 и XI.2 приведены
параметры модулей «Селен» (СССР).
В табл. XI. 1 То —температура горячих
спаев, /опт — оптимальный ток, соответ-
от оптимальной высоты
Группа	Предельное отклонение, мм
I	0—0,02
II	0,02—0,04
III	0,04—0,06
IV	0,06-0,08
V	0,08—0,10
ствующий максимальному перепаду тем-
пературы А'Тмакс в отсутствие тепловой нагрузки, С70ПТ — падение
напряжения на модуле при оптимальном гоке, Qo — холодопро-
изводительность при перепаде температуры АТ = 30° С и токе, рав-
ном половине оптимального, sr, sx — площадь теплового контакта
по горячей или холодной стороне модуля, /м — его толщина. Моду-
ли используются в термоэлектрических приборах и устройствах
с различными типами теплоотводов при температурах окружающей
421
среды от — 60 до 7Сб С, относительной влажности воздуха до 98%,
при температуре окружающей среды 40 ± 2° С, атмосферном дав-
лении от 5 до 800 мм рт. ст., вибрациях в диапазоне частот 5 —
1000 Гц,при ускорении до 10 g, ударах с ускорением до 150 g, уси-
лии прижима до 10—15 кгс/см2. Отклонение по высоте в пределах
одного модуля не более 0,02 мм. По среднему отклонению от но-
минальной высоты с шагом 0,02 мм модули разделены на группы
(см. табл. XI. 2). Теплообмен с охлаждающими объектами и тепло-
отводом осуществляется через анодированные алюминиевые по-
крытие или фторопластовые прокладки толщиной 0,02—0,03 мм,
смазанные с двух сторон теплопроводящей пастой (КПТ-8 или др.).
Внешний вид модулей приведен на рис. XI. 1.
Рис. XL 1. Внешний вид модулей типа «Селен»:
1 — С1-16; 2 — С2-7; 3 — G3-4; 4 — С4-2 [31].
Для локального охлаждения и стабилизации температуры мало-
габаритных элементов радиоэлектронной аппаратуры разработан
унифицированный ряд микромодулей типа ТЭМО (твердотельные
электронные микроохладители) [14]. Они предназначены для рабо-
ты в следующих условиях эксплуатации: изменение температуры
окружающей среды от 213 до 353 К; относительная влажность воз-
духа до 98% при температуре окружающей среды 313 К; нормаль-
ное и пониженное (до 666 Па) атмосферное давление; вибрационные
нагрузки в диапазоне частот от 1 до 600 Гц с ускорением 28,1 м/с2;
многократные ударные нагрузки с ускорением до 392,4 м/с2; оди-
ночные ударные нагрузки с ускорением до 735 м/с2; линейные (цен-
тробежные) нагрузки с ускорением до 98,1 м/с2; акустические
шумы в диапазоне частот от 50 до 10 000 Гц с интенсивностью ‘Зву-
ковых колебаний 130 дБ.
Микромодули ТЭМО могут быть использованы как однокаскад-
ные, так и соединенные в многокаскадные батареи (до четырех кас-
кадов). Конструкцией модулей предусмотрено удобное их каскадное
соединение, питание каскадов последовательное.
В табл. XI.3 приведены технические параметры микроохлади-
телей из модулей ТЭМО. В условных обозначениях микроохлади-
телей первая цифра означает количество каскадов, вторая — диа-
метр рабочей поверхности, П — прямоугольная рабочая поверх-
ность и ее размеры в миллиметрах. Характеристики модулей для
температуры горячих спаев 300 К приведены на рис. XI.2 — XI.7.
Разброс параметров модулей не превышает 10%. Сведения о свой-
422
Технические параметры ТЭМО [/4]
Т аблица XI.3
Типоразмер микроохладителя	Падение напряжения U* в	Потребляемая мощность W, Вт	Максимальный перепад температуры ДУ^акс, К. не менее		Максимальная холо- допроизв одитель- ность (при темпера- туре теплоотвода ЗОи К) Q0 макс* Вт, не менее	Мощность, рас- сеиваемая тепло- отводом Q, Вт, не менее
			при темпера- туре тепло- отвода Ть = = 300 К	при темпера- тура тепло- отвода Т9 = = 330 к		
ТЭМО-4-Ю	18,0± 1,8	54,0 ±11,0	ПО	130	0,8	б5,0± 11,0
ТЭМО-3-10	3,0 ±0,3	9,0 ± 1,8	90	ПО	0,8	10,0 ±2,0
ТЭМО-3-24	18,0± 1,8	54,0 ± 11,0	90	ПО	3,2	57,0 ± 11,5
ТЭМО-2-Ю	1,0±0,1	3,0 ±0,6	75	90	0,8	3,8 ±0,7
ТЭМО-2П-10	1,0±0,1	3,0 ±0,6	75	90	0,8	3,8 ±0,7
ТЭМО-2-24	3,6 ±0,4	10,8 ±2,1	75	90	3,5	14,5±3,0
ТЭМО-2-49	18,0± 1,8	54,0 ±11,0	75	90	11,5	65,0 ±13,0
ТЭМО-1-24	0,9 ±0,1	2,7 ±0,5	55	65	2,3	5,0 ± 1,0
ТЭМО-Ш-17Х21	0,9 ±0,1	2,7 ±0,5	55	65	2,3	5,0 ± 1,0
ТЭМО-1-49	3,0 ±0,3	10,0 ±2,0	55	65	10,0	20,0 ±4,0
ТЭМО-1-95	13,0 ±1,3	39,0 ±8,0	55	65	27,0	65,0 ±13,0
Рис. XI .2. Характеристики двухкаскадных микроохладителей ТЭМО-
2-10, ТЭМО-2П-Ю:
1 — зависимость температуры холодного спая от тока; 2 — вольт-амперная ха-
рактеристика; 3 — зависимость охлаждения от тепловой нагрузки [14].
Рис. XI.3. Характеристики двухкаскадного микроохладителя ТЭМО-
•2-24.
Обозначения, как на рис. XI .2 [14].
Рис. XI.4. Характеристики двухкаскадного микроохладителя ТЭМО-
2-49 [14].
Обозначения, как на рис. XI .2.
Рис. XI.5. Характеристики однокаскадных микроохладителей ТЭМО-
Рис. XI.6. Характеристики однокаскадного микроохладителя ТЭМО-
1-49 [14].
Обозначения, как на рис. XI.2.
Рис. XI.7. Характеристики однокаскадного микрэохладителя ТЭМО-
1-25 [14].
Обозначения, как на рис. XJ.g.
424
Рис. XL8. Зависимость температуры охлаждения Гк от температуры-
горячих спаев микроохладителей:
1 — ТЭМО-4; 2 — ТЭМО-3; 3 — ТЭМО-2; 4 ~ ТЭМО-1 [14].
Рис. XI.9. Характеристики трехкаскадного микроохладителя ТЭМО-
3-10.
Обозначения, как на рис. XI.2 [14].
^300 К.
Рис. XI. 10. Зависимость электрического напряжения от температуры
горячих спаев микроохладителей:
1 — ТЭМО-4; 2 — ТЭМО-3; 3 — ТЭМО-2; 4 — ТЭМО-1 [14].
Рис. XI. 11. Характеристики трехкаскадного микроохладителя ТЭМО-
3-24.
Обозначения, как на рис. XI.2 [14].
Рис. XI. 12. Характеристики че-
тырехкаскадного микроохлади-
теля ТЭМО-4-10.
Обозначения, как на рис. XI.2 [14].
425
Рис. XI. 13. Семейство вольт-амперных характеристик модуля
ТБМ-1 при различных тепловых нагрузках:
1 — Qo = 0; 2 — Qo = 0,3 Вт; 3 — Qo = 1,8 Вт; 4 — Qo = 3,6 Вт (температу-
ра горячих спаев 22®С) [18].
Рис. XI. 14. Семейство вольт-амперных характеристик модуля
ТБМ-1 при различных температурах горячих спаев:
1 — 50°С; 2 — 22®С; 3	10°С; 4 -- 40°С (тепловая нагрузка Qo = 0,3 Вт)
[18].
Рис. XI. 15. Семейство тепловых характеристик модуля ТБМ-1 —
зависимость перепада температуры ДТ от тока I через
модуль при различных тепловых нагрузках;
1 — Qo = 0; 2 — Qo « 0,25 Вт; 3 — Qo = 0,825 Вт; 4 — Qo « 1,76 Вт [18].
Рис. XI. 16. Семейство характеристик модуля ТБМ-1 — зависи-
мость перепада температуры ДТ от напряжения U, подводимо-
го к модулю при различных тепловых нагрузках:
' - Qo = 0; 2 - Qo = 0,25 Вт; 3 - Qo = 1,75 Вт [18].
426
Рис. XI. 17. Технологический разброс вольт-ампер-
ных характеристик модуля ТБМ-1 [18].
Рис. XI. 18. Технологический разброс тепловых
характеристик модуля ТБМ-1 [18].
ствах модулей при других температурах приведены на рис. XI.8,
XI. 10. Характеристики трех- и четырехкаскадных микрохолодиль-
ников приведены на рис. XI.9, XI.il, XI. 12.
В СССР разработаны слаботочные термоэлектрические модули
ТБМ-1 и ТБМ-2. Вольт-амперные характеристики модуля при
Рис. XI. 19. Внешний вид модуля типа ТБМ-1.
Рис. XI.20. Внешний вид модуля КР-1 [31].
различных тепловых нагрузках Qo на холодные спаи приведены
на рис. XI. 13, при различных температурах горячих спаев-*-
на рис. XI. 14, тепловые характеристики модуля — на рис. XI. 15 и
XI. 16. Используют также характеристики, описывающие техно-
логический разброс параметров модулей (рис. XI. 17, .XI. 18). Внеш-
ний вид модуля ТБМ-1 приведен на рис. XI.19 [15].
427
Таблица XI.4
00 Параметры термоэлектрических модулей типа КР [<?/]
Параметр	Модуль			
	КР-1	КР-1а	КР-16	КР-2
Количество термоэлементов Сечение ветвей s, мм Длина ветвей /, мм Габаритные размеры, мм Масса, кг Вид коммутации Тип радиатора Размер радиатора, мм: высота X X ширина X длина Толщина ребер Зазор между ребрами Холодопроизводительность ф0, Вт Температура воздуха, подавае- мого на спаи горячие холодные Холодильный коэффициент 8 Интенсивность отказов	63 13X8 3,8 240X105X111 3,4 Последовательная Паяный 50X14,5X17,5 0,5 1,0 ПО 50 36 0,55 1,0 • 10-§	63 13x8 3,8 240x105x111 , 3,0 Последовательная Паяный 50X14,5X17,5 0,5 1,0 ПО 50 36 0,55 1,0.10-5	63 13X8 3,8 240Х105Х П1 3,4 Последовательная Литой 50X14,5X17,5 1,0 0,9 120 50 36 0,66 1,5 • 10-5	128 6X10 3,8 100x285x98 3,8 Параллельно- последовательная Паяный 130 50 40 0,7 0,05 . IO"5
Вариант слаботочных термоэлектрических модулей разработан
во ВНИИТ [8]. Однокаскадные модули изготовлены из термоэле-
ментов размерами 1,5 X 1,5 X 5 мм, в к'аждом модуле 17 термо-
элементов. Из модулей монтируются термобатареи с током питания
2,5 А и напряжением 2,2 В (режим QMaKC). При температуре горячих
спаев 333 К максимальный перепад достигает 80 К- Разработаны
также двух- и трехкаскадные слаботочные модули. В трехкаскад-
ных модулях при токе питания 1,7 А и напряжении 9 В от 300 К
достигнуто снижение температуры на 108 К.
Для кондиционеров, Термостатов и других термоэлектрических
устройств, где теплообмен у горячих и холодных спаев осуществ-
ляется продувкой воздуха, разработаны модули типа КР с паяными
и литыми радиаторами. Внешний вид модуля КР-1 приведен на
рис. XI.20, параметры модулей — в табл. XI. 4 [31].
В табл. XI.5—XI. 12 приведены сведения о термоэлектрических
модулях, выпускаемых рядом зарубежных фирм. Приняты обозначе-
ния: Фомакс — максимальная холодопроизводительность при пере-
паде температуры ДТ = 0; АТмакс — максимальная разность тем-
ператур при Qo = 0, ZonT, U0UT — оптимальные токи и напряжение;
— количество термоэлементов; /, s — длина и сечение ветвей
термоэлементов перпендикулярно току; 7? — электрическое соп-
ротивление модуля; Ломакс — максимальный удельный тепловой по-
ток на холодных спаях; Q* — отношение максимальной холодо-
производительности модуля к площади, контактирующей с тепло-
обменником; То — температура горячих спаев; sx — площадь хо-
лодной стороны; $г — площадь горячей стороны; Q — тепловая
мощность на горячей стороне; ZM —общая высота модуля; W — ко-
Та блица XL5
Параметры термоэлектрических модулей, выпускаемых фирмой
NSI (США) [47]
Модуль	Го/К	в	CQ н в о Ь	о а S bi <1	Q, Вт	sxi мм2	$г, ММ2	2 2 ё	
1АВ	300	1,0	1,0	60	2,5	4,75x6,0			4,5	1
2AD	300	2,0	1,0	60	3,5	4X4	—	3,25	1
5AD	300	5,0	0,9	60	8,0	4X4	—	2,5	1
5АВ	300	5,0	1,1	60	10,0	8,75 X 10,7	—	4,5	1
5HF	300	5,0	5,0	60	40,0	18,75x18,75	—	4,5	1
8HF	300	7,0	5,5	60	65,0	17,5X19,25	—	3,0	1
5АВ8	300	4,0	1,1	90	5,0	4,5 X 6,5	8,75Х 10,7	8,75	2
5HF2	300	4,0	3,4	87	13,0	8,75 X 10,7	18,75x18,74	8,75	2
5HF28	300	4,0	3,9	113	15,0	4,5 X 6,5	18,75х 18,75	13,5	3
2DG89087	300	1,5	8,0	116	12,0	5,0 X 5,0	12,5х 19	9,75	4
2ЕВ9828А	300	2,0	7,5	120	15,0	6,25X6,52	13.25Х 18,75	12,75	4
4FH0259	300	4,0	6,2	120	25,0	8,25x8,25	17X19	11,75	4
429
co
° Параметры термоэлектрических модулей, выпускаемых французскими фирмами [60]
Таблица XI.6
Модуль	И <02	с	ю с о	м СО 2	@омакс« В	%макс« Вт/см8	£	о	• S ою	Л7ТЭ	s0, мм2	S S	sx, мм2	£
РТ18/4	300	7	1,5	45	6,5	2,0	1,6	1,4	180	18	3x3	4	20X20	5
РТ18/9	300	18	1.8	50	20	3,5	2,2	1,6	75	18	4x4	4	30X30	6
РТ60/21	300	12	5	50	42	2,9	2,1	1,6	320	60	35X35	4	40X50	6
FG8-2	373	3	0,8	100	1,8	—	—	2,7	230	—	—	—	—	—
FG8-2	298	3	0,8	75	1,35 при 40° С	—	—	3,0	—	—	—	—	—	—
FG8-4	373	10	0,8	100	5,6	—	—	2,7	8	—	—	—	—	—
FG8-4	298	10	0,8	75	4,2 при 40° С	—	—	3,0	—	—		—	—	—
FG31	298	9	—	75	19	—	—	—	.—		—	—	—	—
FG8-17	373	60	0,8	100	32	—	—	2,7	12	—	—	—	—	—
FG8-17 Р8	298 373	60 3	0,8 3	75 80	24 при 40° С 20			—	3,0				—			
Р8	300	3	3	60	15	—	—	—	—	—	—	—	—	—
Таблица XI.7
Параметры термоэлектрических модулей, выпускаемых фирмами
ФРГ [60]
Модуль	То, К	ь к	м н с ъ°	{4 о И 03 ^2	и § S © ь О' М	макс* Вт/см2	♦ макс* Вт/см2
РТ48/6	293	5,5	4,8	48	13,5			0,24
РТ47/5	293	5,5	4,7	51	16,0	—	—
РТ11/20	293	22	1,1	51	16,0	—	0,37
РТ20/20	293	20	2,0	45	23,0	—	0,32
РТ60/10	293	10	6,1	45	30,0	—	0,47
РТ72/10	293	10	7,4	45	35,0	—	0,49
PKE18F0240	313	20	—	43	16,0	1,8	1,00
PKE18F0250	313	20	—	50	20$0	2,2	1,2
РКЕ36Е0260	313	9	3,5	63	23,0	—	1,6
РКЕ18Е0260	313	18	1,8	63	23,0	2,5	1,4
Модуль	Zy.103, К—1	о * S	^тэ	S, мм2	1( мм	Sxi мм-	Iffti ММ
РТ48/6	1,63			48					70X80	14
РТ47/5	1,75	—	47	—	—	—	—
РТ11/20	1,75	45	11	—	—	75x75	30
РТ20/20	1,46	80	20	—	—	60X120	15
РТ60/10	1,46	—	60	——	—	80X80	11
РТ72/10	1,46	—	72	—	—	90X80	11
PKE18F0240	1,2	90	18	5x5	5	40X40	8
PKE18F0250	1,5	90	18	5x5	5	40X40	8
РКЕ36Е0260	2,0	370	36	—	—	27,5X53	6,5
РКЕ18Е0260	2,0	90	18	5x5	5	40X40	7,5
Таблица XI.8
Параметры термоэлектрических модулей фирмы «М. С. Р. Elect-
ronics Ltd» (Англия) [60]
Модуль	То, К	Л)ПТ»	^ОПТ’ В	Аймаке» К	Ломакс» Вт	Zy • 10», К-1
Т0404	373	3,2	16	55-80	1,2—1,7	1,0—1,9
Т0606	373	3,1	36	55—80	3,0—3,8	1,0-1,9
Т0818	373	-2,0	36	55—80	7—10	1,0—1,9
Т0812Р	373	2,1	—	55—80	5—8	1,0—1,9
431
Таблица XI.9
g Параметры термоэлектрических модулей фирмы «prigistors Ltd» (Канада) [60]
VJW ко	Модуль	T.t К	к	и н а Ь°	о М СО S Е-. <1 X	о W со V су <а	^омакс* । Вт/см2	§ * ©"ь" СУ CQ			S, мм2	Z, мм	Sx, мм2	S S й
	IFB-04-015-E]	300	15	0,36	63	3,2 3,7	2J5 2,9	1,8 2,0	2,2	4	4X4	3—4	9,5X19,1	6,3
	IFB-06-015-EI	300	15	0,56	63	4J8 5,6	2,5 2,9	1,7 2,1	2,2	6	4X4 •	3—4	9,5X28,6	6,3
	IFB-08-015-EI	300	15	0,75	63	6,4	2J5 2,9	1,8	2,2	8	4X4	3—4	19,1X19,1	6,3
						7,4		2,1						
	IFB-12-015-EI	300	15	1.13	63	9,6	2J5	1,8	2,2	12	4X4	3—4	19,1x28,6	6,3
	(12-15)					П,2	2,9	2,1						
	IFB-32-015-EI	300	15	3,00	63	25,6	2,2	1,7	2,2	32	4X4	4—5	38,1X38,1	6,3
	(32-15)		• /			29,8	2,5	2?б			।			
	IFB-04-030-EI	300	30	0,3 6	63	6,4	1,0	0,81	2,2	4	9X9	4—5	19,1X38,1	7,9
						7,4	1,15	М						
	IFB -06-030-EI	300	30	0,56	63 1	_9JJ	1,0	0,88	2,2	6	9X9	4—5	19,1X57,1	7,9
						11,2	1,15	1,0						
	IFB-08-030-EI	300	30	0,75	63	12,8	1,0	0,88	2,2	8	9X9	4—5	ЗВ,1X38,1	7,9
						14,9	1,15	1,0						
	IFB-12-030-E]	300	30	1,13	63	19,2	1,0	0,88	2,2	12	9X9	3—4	38,1X57,1	7,9
	(12-30)					22,3	1,15	1,0						
	IFB-04-060-EI	300	60	0,36	63	12,8	2,2	0,91	2,2	4	12X12	3—4	26,2X53,2	6,3
						14,9	2,50	1,1						
	IFB-06-060-EI	300	60	0,56	63	19,2	2,2	0^97	2,2	6	12X12	3—4	26,2X80,2	6,3
						22,3	2,50	1,1						
	IFB-08-060-EI	300	60	0,75	63	25,6	2,2	0,91	2,2	8	12X12	3—4	53,2X53,2	6,3
						29,8	2,50	1,0						
	IFB-12-060-EI	300	60	1,13	63	38,4	2,2	0,91	2,2	12	12X12	3—4	53,2X80,2	•6,3
						4476	2,50	1,0						
Т а б л и ц а XI.10
Параметры термоэлектрических модулей предприятия «DKK S charfenst ein» (ГДР) [60]
Модуль	Го, К	с о	CQ С О Ь	дГмакс, К	СП 2 и	О « W 2 СП о £> ^°CQ	s ► \ O>°CQ			2 2 co	Z, MM	R • Ю8, , Ом	s 2 X co	мм
Р22																20,5				
Р23	—	—	—	—					—			—	—	—	26,0	—	—
Р24	343 313	35	1,1	70 60	16	2,00	0,53	2,00	8	7X7	4	. 30,0	50X60	8
Р32	—											’ 				20,5	—	—
РЗЗ	—	—	—	—															26,0	—	—
Р34	343	35	1,1	67	15,7	2,00			1,80	8	7X7	4	30,0	—	—
РЕ52	313	—	—	52	16,0				1,50							—	—	—
, РЕ62	313	36			62	20,0					2,00							—	—	—
РЕ67	313	42	—	67	22,0	—	—	2,20	♦	—	—	—	—	
Т а б л и ц а XI.11
433
Параметры термоэлектрических модулей, выпускаемых в ЧССР НИИ порошковой металлургии [60]
Модуль	г., к	^опт» A	^опт» B	макс, к	Фомакс» Вт	^омакс» Вт/см2	Zy • 10», к-1	ЛЛрЭ	S, мм2	Z, мм	8Х, 8Г, мм2	Zm> мм
T4-20	300	20—25	0,40	50—55	5,0	2,5	1,6—1,8	4	5x5	4	27X13	6
’ T8-20	300	20—25	0,80	50—55	10,0	2,5	1,6—1,8	8	5X5	4	27X27	6
T12-20	300	20—25	1,20	50—55	15,0	2,5	1,6—1,8	12	5X5	4	27X41	6
T24-20	300	20—25	2,40	50—55	30,0	2,5	1,6—1,8	24	5X5	4	41X55	6
Параметры термоэлектрических вакуумных ловушек [23]
Таблица XI. 12
Тип ловушки	Насос	Л)ПТ» А	Падение напря- жения, В	Температура, °C		Рас- ход воды, л/ч	Количество термоэлемен- тов		Габаритные размеры, мм		Масса, кг
				I кас- кад	II кас- кад		1 кас- кад	II кас- кад	высо- та	диаметр	
Т ВЛ-7-1	ВО-589	28	0,2	—37	—	40	2	—	62	80	1,12
ТВЛ-40-2	ММ-40-А	50	0,4	—20	—52	60	6	3	80	115	2,1
ТВЛ-100-2	ЦВЛ-100	60	0,9	—20	—52	60	10	5	90	175	4,6
ТВЛ-5с-4	Н-5	90	1,0	—20	—50	85	24	12	85	240	10,6
ТВЛР-2Т-1	Н-2Т	115	3,6	—20	—50	120	48	24	145	434	35,0
ТВЛР-5Т-1	Н-5Т	120	5,6	—18	—50	150	92	46	170	700	120
ТВЛР-8Т-1	Н-8Т	120	9,2	—19	—49	150	110	55	220	1000	240
ТВЛР’20Т-1	Н-20Т	120	21	—20	—5!	150	144	72	266	1216	320
ТФЛР-1-1	—	60	1,2	—15	—42	60	12	6	120	200	9,3
ТВЛ-РН-2	ДРН-10	75	1,0	—24	—	60	, 10	—	180	150	5
Примечание. Значения температуры на I и II каскадах получены при температуре воды в? системе теплосъема 18° С
и давлении 10—6 мм рт. ст. Параметры ловушек Л-500-2 и ТВЛ-500-4 подобны параметрам ТВЛ-5с-4.
7 2А7’макс
личество каскадов; Zy = ———--------- — условная добротность мо-
1 Аймаке)'
дуля; 70, °C — максимальное охлаждение.
Внешний вид одного из модулей, выпускаемый фирмой NSI в
США (табл. XI. 5), приведен на рис. XI. 21. Четырехкаскадные
модули снабжены датчиком температуры, установленным под ке-
рамической охлаждающей пло-
щадкой.
Параметры некоторых моду-
лей, выпускаемых во Франции,
сведены в табл. XI.6. В марки-
ровках модулей числитель — ко-
личество элементов, знамена-
тель — площадь холодной поверх-
ности в квадратных сантиметрах.
Рис. XI.21. Внешний вид много-
каскадного модуля, выпускаемого
фирмой NSI [47].
Фирмой ФРГ «Valvo GMBH» разработаны модули типа РТ.
В маркировке числитель — количество термоэлементов, знамена-
тель — оптимальный ток. Внешний вид модулей приведен на рис.
XI.22. Фирмой «Sifemens — Schuckert — \Уегке»разработаны модули
Рис. XI.22. Модули фирмы «Valvo»: а — рт 20/20;б —РТ 11/20 [60].
типа РКЕ; в маркировке первые две цифры — количество термо-
элементов, F или Е — характеристика поверхности теплообмена,
следующие две цифры характеризуют теплообмен (0,2 — воздуш-
ный; 0,3 — водяной; 0,4 — два водяных), последние две цифры ука-
зывают максимальный перепад температуры. Сведения о модулях
приведены в табл. XI.7.
435
В Англии фирмой «De La Rue Frigistor Ltd» изготовлены моду-
ли с маркировками 4-15EI, 6-15EI, 8-15EI, 12-15EI, 4-30EI, 6-30EI,
8-30EI, 12-30EI, 4-60EI, 6-60EI, 8-60EI, 12-60EI, где первое число—
количество термоэлементов в модуле, второе — оптимальный ток
при максимальном перепаде температуры, Е — отсутствие изоля-
ции на коммутационных пластинах; при наличии изоляции индекс
Е заменяется на G. Внешний вид модуля приведен на рис. XI.23.
Сведения о модулях, выпускаемых фирмой «М.С.Р. Electronics Ltd»,
приведены в табл. XI. 8. Число в маркировке соответствует количе-
ству элементов в модуле.
Рис. XL23. Модули фирмы «De La Rue Frigistor Ltd» [6(5].
Фирма «Frigistors Ltd» (Канада) разработала модули типа IFB-
04-015-EI; в маркировке первая группа цифр соответствует числу
термоэлементов, вторая — значению оптимального тока при ДГмакс,
буквами характеризуется поверхность, где Е указывает на отсут-
ствие электроизоляционных пленок на коммутационных пласти-
нах, G — на наличие изоляции. Параметры модулей приведены в
табл. XI.9. Значения, приведенные в знаменателе, соответствуют
температуре холодного спая 273 К.
Параметры модулей, разработанных в ГДР на предприятии
«DKK Scharfenstein», приведены в табл. XI. 10. В табл. XI. 11 при-
ведены данные о модулях, изготовляемых в Чехословакии в НИИ
порошковой металлургии. Пример маркировки модуля — Т12-20,
где первая группа цифр — значение тока при максимальном пере-
паде, вторая — количество термоэлементов.
Во всех модулях использовано последовательное включение эле-
ментов. Поверхности, контактирующие с охлаждаемыми объектами
и теплоотводами, имеют плоскостность не ниже 10 мкм на 1 см и
шероховатость не более 1,25 мкм. Поверхности ряда модулей по-
крыты тонким слоем изоляции. Изготовлены также модули с жид-
костными или воздушными теплообменниками. Сведения о термоэлект-
рических модулях, выпускаемых за рубежом, приведены в справоч-
нике [69].
В литературе описаны варианты многокаскадных термоэлектри-
ческих модулей [6, 13, 31]. В четырех — семикаскадных модулях
достигнуты снижения температуры от 300 до 140— 160 К, в восьми-
436
каскадном—до 130 К; в комбинированных модулях, содержащих
низкотемпературные каскады из магнетотермоэлектрических элемен-
тов (или охладителей Эттингсгаузена), получены охлаждения до 130—
140 К. Такие модули обладают малой холодопроизводительностью
— от единиц до нескольких десятков мВт [47].
§ 2. Охладители
электронной радиоаппаратуры
Термоэлектрическое охлаждение элементов электронных _схем по-
зволяет улучшить стабильность их параметров, улучшает отношение
сигнал—шум, повышает чувствительность и точность усиливающих
и измерительных устройств. Особенно перспективно применение микро-
электронных схем с термоэлектрическими микромодулями: при таком
сочетании достигается [7, 13] их согласование как по габаритным
размерам, так и по используемым источникам питания. Термоэлект-
рическим охлаждением достигается интенсификация теплоотвода, что
позволяет увеличить мощность электронной аппаратуры и повысить
плотность монтажа.
Сравнение различных методов получения низких температур
(80 — 190 К) для охлаждения элементов электронной техники пока-
зывает [46], что в ряде случаев, когда охлаждаемые объекты неве-
лики, теплообмен с окружающей средой сведен к минимуму и охлаж-
дающие устройства выделяют небольшие тепловые мощности (поряд-
ка милливатт), термоэлектрическое охлаждение, несмотря на низкую
холодопроизводительность, имеет ряд преимуществ перед иными мето-
дами охлаждения. Эффективным является применение распределен-
ного охлаждения, при котором различные узлы располагаются на
разных каскадах холодильника. В этом случае достигается большая
экономичность и уменьшаются габаритные размеры термоэлектрических
охладителей.
Холодильники параметрических усилителей СВЧ систем. Основ-
ным источником шума параметрических усилителей является диод.
Снижение его температуры улучшает параметры усилителя. На рис.
XI.24 приведена одна из конструкций двухкаскадного термоэлектричес-
кого холодильника с волноводом для параметрического усилителя.
При токе 60 А и потребляемой мощности 30 Вт достигнуто охлаж-
дение до — 53°С. В приборе применен отвод тепла проточной жид-
костью [23]. Аналогичный вариант зарубежной конструкции холо-
дильника приведен на рис. XI.25 [46]; на рис. XI.26 приведены шу-
мовые характеристики диодов, из которых следует, что при охлаж-
дении на 80 — 100 К (достигаются двумя каскадами охлаждения)
свойства усилителей существенно улучшаются. При оптимальном
токе 18 А и мощности 136 Вт достигается охлаждение до 213 К.
В параметрических усилителях спутниковой связи типа LNR-402
применены термоэлектрические термостаты, поддерживающие темпера-
туру около 274 К при температуре окружающей среды от— 32 до
52°С. Для стабилизации генератора накачки при температуре 294 К
применена также термоэлектрическая батарея. Точность термостаби-
-лизации ± 3,5°С. Потребляемая для стабилизации мощность не бо-
лее 50 Вт. Малошумящие параметрические усилители с термоэлектри-
437
Рис. XI.24. Термоэлектрический холодильник для пара-
метрического усилителя:
/, 2 —каскады термобатареи; 5 — керамические теплопереходы;
4 — теплоотвод; 5 — штуцер; 6 — каналы для охлаждаемой жид-
кости; 7 — каскады холодного спая термобатареи; 8 — диод; 9—
вывод диода; 10 — проходной изолятор; И — корпус; 12 — резо-
натор; 13 — микротермистор МКМТ-16; 14 — клеммная колодка
термистора; 15 — теплоизоляторы из пенопласта [23].
Рис. XI.25. Параметрический усилитель с термоэлектрическим
охлаждением:
1 — охлаждаемый диод из арсенида галлия с точечным контактом;
2 — резонатор; 3 — волновод; 4 — теплоотвод; 5 — термоэлектрический
охладитель; 6 — вход сигнала; 7 — теплоизоляторы [46].
Рис. XI.26. Зависимость эффективной шумовой температуры Тэ
от температуры диода Гд для германиевого диода
= 1019 см"3) с р — п-переходом (7), кремниевого диода (п^=
= 5,5 • 1020 см~3) с р—/z-переходом (2), диода из арсенида гал-
лия (я — 5,5* 10^ см~3) с точечным контактом (3) [46].
438
ческим охлаждением изготовлены также фирмами «Ferranti» (Англия),
«Comtech» (США), «Ниппон дэнки» (Япония) и др.
При разработке таких систем для достижения эффективного ох-
лаждения необходимо производить оптимизацию конструкции вол но
водов с целью максимального уменьшения теплопритоков по ним к
охлаждаемому объекту. Для этого вместо медных волноводов исполь-
зуют золоченые из нержавеющей стали Целесообразно уменьшить
по возможности и теплоемкость волновода для получения минималь-
ного времени выхода в режим.
Термоэлектрические холодильники в вычислительной технике.
Эти холодильники применяются для снижения и статирования тем-
пературы электронных компонентов, матричных блоков памяти, крис-
таллодержателей и др.; для статирования температуры отдельных бло-
ков и схем. Применение термоэлектрического
охладителя в вычислительной технике перс-
пективно в связи с улучшением свойств
быстродействующей электронной аппаратуры
при пониженных температурах. Перспективно
также применение термоэлектрического ох-
лаждения для создания приборов оптической
памяти на основе соединений кобальта, ра-
ботающих при температурах около 150 К.
Рис. XI.27. Термостат для электронных уст-
ройств:
1 — алюминиевый стакан — охлаждаемый объем;
2 — холодные спаи термобатареи; 3 — теплоизоля-
тор; 4 — кожух; 5 крышка; 6 проходные изо-
ляторы.
Термостаты. Разработаны для понижения и статирования темпе-
ратуры кварцев, германиевых триодов, опорных резисторов и т. д.
Вариант конструкции приведен на рис. XI.27. При токе 8 А, на-
пряжении 4,2 В перепад температуры при использовании однокаскадной
термобатареи 30 — 40 К. Использование терморегулятора позволяет
поддерживать стабильную температуру при изменении температуры
внешней среды в интервале от —50 до 70°С. Применение специаль-
ных* схем терморегулирования обеспечивает точность статирования
0,01—0,001 К.
Модули для охлаждения- диодов. Разработаны для статирования
температуры диодов Д2В на уровне 293 К при температуре окру-
жающей среды до 338 К [38]. Изготовлены из восьми термоэлемен-
тов высотой 7мм и сечением 4 X 4мм. Горячие спаи охлаждаются че-
рез ребристую поверхность. Использованы термоэлектрические ма-
териалы на основе сплавов Bi2Te3, Z = (3,0-н 3,4) . 10~~3 К*”1. При
температуре горячего спая 320 К и токе питания около 8 А максималь-
ная разность температур 74 — 78 К
Охладители транзисторов. Применяются для интенсификации
теплоотвода и увеличения управляемой транзистором мощности. Напри-
мер, в триоде типа П210 при наличии интенсивного теплоотвода рас-
сеиваемая мощность может быть увеличена от 1,5 до 60 Вт. Исполь-
зуются однокаскадные термобатареи, рассеивающие мощности в пре-
делах нескольких ватт и более (бо льше 10 Вт). Поданным работы [37],
439
наличие термохолодильника позволяет увеличить рассеиваемую мощ-
ность приблизительно в 2,5 раза.
Многокаскадные термобатареи для охлаждения электронной
аппаратуры и осушения воздуха используются на спутниках и в косми-
ческих кораблях [60].
§ 3. Охладители приемников излучения
Оптимальные параметры большинства приемников излучения реализу-
ются при пониженных температурах. Для полупроводниковых фото-
приемников в зависимости от материала и спектрального диапазона
температура охлаждения изменяется от 80 до 300К. При-
емниками излучения в длинноволновой части ПК излучения
(13,5 — 8 мкм) достигается максимальная обнаружительная
способность при 80— 120 К (CdTe — HgTe, PbTe— SnSe, Cd—
Hg— Те); в интервале длин волн 2 — 7,3 мкм при использовании
фотоприемников из InSb уровень охлаждения также близок к азот-
ному (80 — 105 К), для фотоприемников из PbSe приемлемыми яв-
ляются и более высокие температурь! охлаждения (195 — 230 К и
выше); аналогичен температурный диапазон охлаждения и для фо-
топриемников из PbS (1,2—38 мкм).
Для приемников из InAs^(2,5—
3,8 мкм) рабочий интервал темпе-
ратур 195 — 320 К, для приемников
из GeSe, GaAs (0^ — 1,7 мкм)
—от 295 до 350 К. Малые габарит-
ные размеры приемников излучения
создают благоприятные условия
для их охлаждения термоэлектри-
Рис. XI.28. Конструкция двухкас-
кадного термохолодильника с фо-
топриемником:
1 — холодный спай; 2 — фоторезистор;
3 — окно; 4— микротермистор; 5 —двух-
каскадная термобатарея; 6 — герметич-
ный корпус; 7 — горячие спаи с тепло-
отводом; 8 — алюминиевое основание;
9 — фланец для крепления устройства;
10 — вакуумные переходы; 11 — эпо-
ксидная смола; 12 — штангель для от-
качки и герметизации; 13 — октальный
цоколь [23].
ческими батареями. В настоящее время разработаны многочислен-
ные варианты устройств, содержащие фотоприемники и твердотель-
ные холодильники.
Охладители фоторезисторов. Вариант одной из первых конструк-
ций двухкаскадной термобатареи для охлаждения фоторезистора
приведен на рис. XI.28 [23]. Корпус устройства герметизирован
и вакуумирован; соединение выводов фоторезистора, термобатареи
и термистора, регистрирующего температуру холодного спая, с ап-
паратурой производится октальным цоколем. Для термостатирова-
440
ния используется внешний регулятор тока. Максимальный ток пи-
тания напряжения 0,15 В, потребляемая мощность 3 Вт, перепад
температуры около 60 К от 20°С. В более совершенных конструк-
циях оптимальный ток уменьшен до нескольких ампер, а перепад
температуры увеличен до 80 К.
Аналогичным устройством является система IAT-704 с одно-
элементным приемником из арсенида индия диаметром около 1 мм
(рис. XI.29). Приемник с холодильником заключен в герметичный
откачанный корпус с окном. Температура охлаждения приемника
Рис. XI.29. Схема корпуса фотоприемника IAT-704 с тер-
моэлектрическим холодильником:
1 — сапфировое окно; 2 — вывод термопары и фотоприемника;
3 — трубка для откачки; 4 — второй вывод термопары; 5 — вы-
воды питания термо холодильника; 6 — второй вывод фотоприем-
ника [46].
Рис. XI.30. Трехкаскадный охладитель для фоторезис-
тора:
1—теплоотвод; 2, 4—теплопереходы; <3 — термоэлементы пер-
вого каскада; 5 —термоэлементы второго каскада; 6 —теплопе-
реход между вторым и третьим каскадами; 7 — коллектор; 8 —
микротермистор; 9 — вакуумная колба; 10 —фоторезистор; 11 — _
термоэлементы третьего каскада; 12 — теплоизоляция; 13 — за-
щитный кожух [23].
195 — 235 К, ток питания холодильника ЗА, потребляемая мощность
1,5 Вт. При температуре теплоотвода 300 К охлаждение достигает
230 К. Приемник используется в аппаратах для слежения за звез-
дами, обнаружения судов, в тепловых головках самонаведения ра-
кет, дистанционных взрывателях и др. '
Для охлаждения фоторезисторов до более низких температур
использованы трехкаскадные охладители. Вариант конструкции хо-
лодильника приведен на рис. XI.30. В первом каскаде использо-
ваны три пары термоэлементов, во втором — два термоэлемента,
в третьем—один. Применено параллельное питание термоэлементов,
охлаждение горячих спаев водяное. Корпус термобатареи гермети-
зирован. При оптимальном токе 94 А и напряжении 0,21 В получен
перепад температуры 80 К от 20°С. Потребляемая холодильником
мощность 19,8 Вт. Размеры устройства: высота 40 мм, диаметр 55 мм
[23]. В усовершенствованной конструкции с воздушным принудитель-
ным теплоотводом получен перепад температуры 102 К от 40°С.
Потребляемая холодильникЪм мощность 59 Вт при токе 52 А и нап-
ряжении 1 В, время выхода в режим 2 мин. При дальнейшем совер-
441
шенствовании конструкции холодильников ток питания уменьшен
до 2 А перепад увеличен до 130 К.
Термоэлектрические охладители использованы и для снижения
температуры многоэлементных ИК детекторов. Фирмой «International
Energy Conversion» (США) разра-
ботан ряд таких устройств. При
размерах приемной площадки около
0,25 см2, температуре охлаждения
около 196 К потребляемая термо-
батареей мощность составляет 6 Вт.
Приемники излучения и холодиль-
ник помещены в корпус, откачан-
ный до давления 10~4 мм рт. ст.
В различных вариантах использо-
ваны холодильники с количеством
термоэлементов от 10 до 100, по-
Рис. XI.31. Устройство для термостатирования фотосопротивления
анализатора жидкости термоэлектрической батареей:
а — боковой разрез; б — вид сверху; / — алюминиевый корпус; 2 — ребра ох-
лаждения; 3 — теплопер,еход; 4 — термоэлемент; 5 — холодные спаи; 6 — фото-
сопротивление; 7 — накидная гайка; 8, 9 — теплоизоляция из пенопласта; 10 —
силикагель; 11 — сетка осушителя (силикагеля) с кольцом; >2 — выводы фото-
сопротивления и микротермистора; 13 — герметизация эпоксидным компаундом;
14, 15 — токоподводы [23].
Рис. XI.32. Термостат для измерения характеристик фоторезисторов
и фотоэлементов:
/ —- резиновое уплотнение; 2 — прижимы; 3 — термоэлементы; 4 — с ,^аждаю-
щая подложка; 5 — окно; 6 — камера; 7 — медь-константановая термопара; 8 —<
основание термобатареи; 9, 11 — штуцеры; 10 — теплосъемная камера; 12 —•
стойка; 13 — основание; 14 — рельс монохроматора [26].
требляемой мощностью 4,5— 18 Вт и массой 0,2—0,45 кг. Испытания
подтвердили высокую надежность приборов. •
Для инфракрасных анализаторов жидкости разработаны термо-
статы, поддерживающие их температуру на заданном уровне (около
0°С) при изменении температуры окружающей среды в широких
пределах (до + 60°С) [23]. Вариант конструкции такого при-
бора приведен на рис. XI.31. Максимальный потребляемый ток 25 А,
напряжение 0,25 В, термостатировалось фотосопротивление типа 1Ф-1.
442
Как и в других приборах, замена термобатареи более слаботочной
позволяет упростить ее питание и уменьшить потери на переходных
электрических сопротивлениях.
С помощью термобатарей удобно производить исследования тем-
пературных и спектральных характеристик фотосопротивлений и фо-
тоэлементов [26]. Схема такого прибора приведена на рис. XI.32.
В нем для охлаждения использована двухкаскадная термобатарея
с рабочей поверхностью 300 мм2. К поверхности монтируется изме-
ряемое изделие, максимальная потребляемая холодильником мощность
17 Вт, интервал регулируемых температур от — 40 до 100°С.
Рис. XI.33. Термоэлектрическое охлаждающее уст-
ройство для болометра БКМ-1:
1 — корпус; 2 шины питания; 3 — термоэлемент; 4
теплопереход; 5 — коллектор холодных спаев; 6 — бо-
лометр; 7 — микротермистор; 8 — пенопластовая изоляция
[23].
Охлаждение термобатареями до 200 К фотокатодов электронно-оп-
тических преобразователей позволяет повысить их чувствительность
приблизительно в 10 раз. При таком использовании конструкция
термоэлектрического охладителя должна обеспечивать отсутствие маг-
нитных наводок.
Охладители болометров. Вариант микрохолодильника для охлаж-
дения и стабилизации температуры болометра БКМ-1 приведен на
рис. XI.33. В нем использован один термоэлемент с максимальным
током питания 25 А и потребляемой мощностью 2,5 Вт; перепад
температуры от 20°С составляет 52 К. Размеры прибора: диаметр
70 мм, длина 75 мм [23].
Охлаждение фотоумножителей. Применение термоэлектрического
охлаждения для этой цели позволяет уменьшить темновой ток фо-
тоумножителей и, соответственно, увеличить их чувствительность.
При охлаждении фотоумножителей с сурьмяно-цезиевым катодом от
20°С до — 30°С темновой ток уменьшается в 20 — 30 раз. В первых
отечественных холодильниках, разработанных в 1956 г. для ФЭУ-19 М
и ФЭУ-11, охлаждению подвергался весь корпус фотоумножителя.
Получено снижение температуры до — 12°С при естественно-конве-
ктивном теплообмене и — 20°С при отводе тепла проточной водой.
Оптимальные токи холодильников 10 А, потребляемые мощности до
30 Вт. В более поздних конструкциях охлаждению подвергалась
443
только область фотокатода [16, 23]. Конструкция такого устройства при-
ведена на рис.XI.34. Применена двухкаскадная термобатарея: в пер-
вом каскаде 8элементов, во втором —2. При, токе 38 А и потребляе-
мой мощности 30,5 Вт достигнуто охлаждение — 40°С. Для охлажде-
ния горячих спаев применена проточная вода. Разработан вариант
и с принудительным воздушным охлаждением.
> Известны зарубежные конструкции термостатов для фотоумно-
жителей, обеспечивающие стабильность температуры ± 0,005°С в
интервале от — 20°С до комнатной температуры.
Конструкция кольцевой однокаскадной батареи описана в ра-
боте [25]. От 21 °C получено охлаждение —31°С, время выхода
в режим 3,5 мин. Ток питания 37,5 А, потребляемая холодильником
мощность 62 Вт.
Рис. XI.34. Холодильник для фо-
тоумножителей:
1 — канал для отвода тепла от горячих
спаев термобатареи проточной жид-
костью; 2 — теплопроводящие наклад-
ки; 3 — штуцеры; 4 — корпус; 5 — тер-
моэлементы первого каскада; 6 — тер-
моэлементы второго каскада [23].
В ГСКБ ТФП разработана и выпущена серия холодильников
Р-72КМ для фотоумножителей с катодом диаметром 5 см'. Исполь-
зованы двухкаскадные батареи из 18 термоэлементов при токе
40 А; потребляемая мощность 66 Вт, снижение температуры на
50 К. Охлаждение горячих спаев воздушное, принудительное от вен-
тилятора. В улучшенной конструкции увеличена прочность, вероят-
ность безотказной работы повышена до 0,9976, ресурс увеличен до
4,32 . 106 с. Разработаны также холодильники типа Ф-1, снижаю-
щие температуру от 323 до 293 К при потребляемой мощности 8 Вт
с отводом тепла на Kopxiyc. Холодильниками Ф-2 пониженной мощ-
ности статируется температура в интервале 298 — 308 К при изме-
нении температуры окружающей среды от 268 до 323 К. Применены тер-
моэлементы сечением 2 X 2 мм с рабочим током 0,8 А.
Охладитель типа «Фототерм» разработан для стабилизации и охлаж-
дения фотоумножителей ФЭУ-83, ФЭУ-93. Минимальные температу-
ры охлаждения —40-4----50°С, в интервале от 0 до —50°С точность
статирования ± 0,5 К. Отвод тепла от горячих спаев батареь>роиз-
водится жидким теплоносителем и воздушным обдувом. Потребляе-
мая мощность 92 Вт [53]. «Фототерм-2» предназначен для охлажде-
ния-фотокатодов умножителей ФЭУ-64, ФЭУ-79, ФЭУ-83. Параметры
его аналогичны параметрам прибора «Фототерм», потребляемая мощ-
ность 30 Вт. Использованы двухкаскадные батареи, отвод тепла
производится воздушным радиатором [55]. В охладителе «Фототерм-3»,
применяемом с ФЭУ-93, использованы два однокаскадных охладителя.
Отвод тепла осуществляется проточной водой. Минимальная темпе-
ратура — 15°С, интервал изменения температуры охлаждающей во-
ды 10 — 25°С, ток питания охладителей около 10 А, напряжение 2,2 В,
время достижения минимальной температуры 15 мин [56].
Фирмой «Valvo» изготовлены охладители фотоумножителей с мо-
дулем РТ 11/20 или РТ 47/5 и током питания 18 А при напряже-
444
нии 1 В. Температура охлаждения — 10°С поддерживается контакт-
ным термометром с точностью ± 0,5 К. Теплоотвод от горячих спаев
производится водяным теплообменником с насосом.
Перспективны конструкции, в которых холодильник размещен
внутри вакуумного корпуса фотоэлектронного устройства. В этом
случае достигается уменьшение потребляемой мощности приблизительно
в 10 раз, его массы — в 100 раз, быстродействие увеличивается так-
же приблизительно в 10 раз. При такой компоновке целесообразно
применять пленочные термоэлементы.
Охладители диафрагм. При снижении температуры приемников
излучения становится существенной фоновая засветка диафрагм. Влия-
ние температуры диафрагм проявляется и
при использовании макетов абсолютно чер-
ных тел. Снижение температуры диафрагм
позволяет уменьшить их влияние при изме-
рениях. Вариант диафрагмы с термоэлект-
рическим холодильником приведен на рис.
XI.35. Термобатарея изготовлена из 12
термоэлементов высотой 4 мм и сечением
Рис. XI.35. Диафрагма с термоэлектричес-
ким холодильником:
1 — основание холодильника; 2,4 — коммутацион-
ные пластины; 3 термоэлементы; 5 — диафрагма
[23].
2,3 X 2,3 мм^. Достигнуто охлаждение 264 К от 323 К при токе
5,5 А и потребляемой мощности 6,5 Вт [39].
Охладители рентгенорадиометрических и гамма-спектрометрических
детекторов. Разрешающая способность детекторов, изготовленных
из кремния, возрастает при снижении температуры до —100°С. Для
их охлаждения разработаны двух- и многокаскадные холодильники.
В двухкаскадной батарее типа МХД-6 в первом каскаде применено
10 термоэлементов, во втором —2. При токе 12—14 А достигнуто
максимальное охлаждение до — 40°С, теплоотвод осуществлен про-
точной водой.
Для охлаждения детектора ДКРС и полевого транзистора раз-
работана пятикаскадная термобатарея типа ХКД-100 из 70 — 80
термоэлементов. При вакууме 10~^ мм рт. ст. достигаются охлаж-
дения до температуры —100°С от 20°С. Отвод тепла от горячих
спаев проточной водой, расход 2 л/мин, потребляемая холодильни-
ком мощность около 500 Вт [11, 24].
§ 4. Термоэлектрические охладители
в приборостроении и измерительной
технике
Микроскопные столики используются для исследований при темпе-
ратурах как выше, так и ниже комнатной. Разработано несколько
вариантов столиков. В приборе, приведенном на рис. XL 36» приме-
445
йена термобатарея из четырех термоэлементов с естественным теп-
лоотводом; потребляемая мощность 2 Вт при токе 14 А, интервал
устанавливаемых температур от —7 до 60°С.
Для расширения температурного диапазона до — 25°С примене-
но водяное охлаждение. В приборе использовано два термоэлемен-
та с током питания 20 А, потребляемой мощностью 3 Вт. Улучшен-
ный вариант такого прибора с предохранителем от запотевания и
Рис. XL36. Микроскопный столик с естественным тепловым
рассеянием:
1 — клеммы; 2 — коммутационные пластины; 3 — термоэлемент; 4— по-
крытие из эпоксидной смолы; 5 >— основание; 6 — проходное отверстие
Рис. XI.37. Микроскопный столик с предохранителем от запо-
тевания:
1 — основание из двух полуцилиндров; 2, 3, 10 — термоэлементы; 4 —
холодные спаи для размещения предметного стекла; 5, 11 — канал"Для
воды; 6 — клеммы; 7 — цилиндр для уплотняющей гофрированной рези-
новой трубки, присоединенной к тубусу микроскопа; 8 —* герметизирую-
щее стекло; 9 — защитное покрытие эпоксидной смолой; 12 — штуцеры;
13 — микротермиетор МКМТ-16 [23].
термисторным датчиком температуры приведен на рис. XI.37. Ра-
бочий ток составляет 20 А, потребляемая мощность 2 Вт, диапазон
температур от —25 до 50°С, расход воды для охлаждения 15 л/ч.
Разработаны варианты столиков для работы в отраженном свете.
Для контроля температуры применена медь-константановая термо-
пара. Ток питания составляет 45 А, потребляемая мощность 3 Вт,
максимальное охлаждение около 25°С. Разработан микроскопный
*столик с герметичной камерой, позволяющий производить наблюдения
в интервале давлений от 10 до 1,5 • 103 мм рт. ст. Питание одно-
каскадной термобатареи осуществляется током 30 А при напряже-
нии 0,4 В, интервал регулируемых температур от — 25 до 60°С.
Расход воды для охлаждения 0,5 л/мин [8]; разработчик— ВНИИТ.
Фирмой «Valvo» (ФРГ) разработан также вариант столика. В нем
использована термобатарея из 12 элементов. При охлаждении горя-
446
чих спаев водой с температурой 10°С достигается снижение темпе-
ратуры до — 35°С. Максимальный нагрев столиком составляет 80°С.
Конденсационные термоэлектрические гигрометры позволяют опре-
делять влажность газовых сред по точке росы. Ее значение нахо-
дится по температуре конденсации влаги на охлажденную термохо-
лодильником поверхность. В простейших вариантах гигрометров
выпадение влаги определяется визуально. В таком приборе исполь-
зован термоэлемент, снижающий температуру поверхности конденса-
ции на 30 К при токе 20 А и мощности 2 Вт.
Разработаны гигрометры периодического действия, у которых
точка росы фиксируется по изменению поверхностной проводимости
стекла, охлаждаемого термоэлементом. При токе 10 Аг и температу-
ре окружающего воздуха —20°С достигается охлаждение стекла
до — 11°С. Цикл измерения 20 — 30 с,
точка росы определяется с точностью
± 1 К [23].
В гигрометрах непрерывного дей-
ствия использована двухкаскадная тер-
Рис. XI.38. Термобатарея гигрометра
непрерывного действия:
1 — штуцеры охлаждения; 2, 9 — термоэле-
менты первого каскада; 3 —теплоизоляция;
4 — термоэлемент второго каскада; 5 —
коммутациойная пластина второго каскада;
6, 8 — коммутационные пластины; 7 — кор-
пус; 10 *- корпус из эпоксидной смолы;
11 — теплоотводы [23].
мобатарея с вмонтированным на ее холодной поверхности зеркалом.
Появление конденсата на поверхности зеркала определяется фото-
сопротивлением по изменению интенсивности отраженного от зерка-
ла луча света. Температура выпадения влаги измеряется термопа-
рой или микротермистором. Схема термобатареи гигрометра приведена
на рис. XI.38. При максимальном охлаждении (—50° С) ток пи-
тания термобатареи составляет 60 А при напряжении 0,4 В; размер
охлаждаемого зеркала 10 X 15 мм. Гигрометр точки росы М-116 раз-
работан ГГО им. А. И. Воейкова.
Для расширения пределов измерения влажности использованы
трехкаскадные термобатареи. В первом ее каскаде 15 термоэлемен-
тов, во втором—3, в ^третьем—1. При токе 42 А и падении напря-
жения 1,5 В получено охлаждение —70° С зеркала диаметром 20 мм.
Расход охлаждающей воды 50 л/ч. Термобатарея применена в элек-
тронном индикаторе влажности ДЦН-1 [23]. Вариант прибора описан
также в работе [17].
Вакуумные ловушки с термоэлектрическими холодильниками ис-
пользуются для конденсации паров масла диффузионных насосов.
Исследованиями установлено [23], что применение охлаждающих по-
верхностей с температурой от —40 до —50° С является вполне доста-
точным для вымораживания паров масла. Эффективно применение
двух- или трехкаскадных термоэлектрических холодильников. Условия
для применения таких холодильников чрезвычайно благоприятные:
теплоотвод осуществляется водяным охлаждением, в условиях высо-
кого вакуума теплообмен охлаждаемых деталей-ловушких окружаю-
щей средой минимален. В 1957 г. в СССР впервые созданы ловушки
447
для паромасляных насосов ММ-40А, в последующие годы разрабо-
таны конструкции ловушек дтя всех выпускаемых отечественной
промышленностью насосов. С .I960 г. начат серийный выпуск лову-
шек. Все ловушки снабжены двухкаскадными термобатареями. Кон-
струкции ловушек подобны (рис. XI. 39), параметры ловушек даны
в табл. XI. 12. Поверхности конденсации изготовлены в виде жалю-
зи и выполнены таким образом, чтобы обеспечить по крайней мере
двукратное попадание молекул масла на их поверхность. При темпе-
ратуре жалюзи —50° С предельный вакуум улучшается в 7—8 раз.
Рис. XI.39. Схема ловушки ТВЛ-5с-4 с термо-
батареей для диффузионного насоса Н-5С:
1 — водяные штуцеры; 2, 13 — фланцы; 3 — термоэле-
менты второго каскада; 4 — коллектор второго каска-
да; 5 — поверхность конденсации второго каскада;
6 — вакуумный ввод электропитания термобатареи; •
7—поверхность конденсации первого каскада; 8 —<
коллекторы холодных спаев первого каскада; 9 —
гофрированные теплопереходы; 10 — термоэлементы
первого каскада; 11 — вкладыш водяного теплоотво-
да; 12 — корпус.
Минимальная температура устанавливается в течение 50—60 мин.
Сравнение с азотными ловушками показывает, что предельно дости-
жимый вакуум при использовании ловушек с термобатареей такой же,
а скорость откачки несколько выше.
В ловушке для парортутных насосов увеличены охлаждаемые
поверхности для компенсации меньшего коэффициента аккомодации
молекул ртути по сравнению с диффузионными маслами. Приняты меры
против амальгамирования поверхности ловушки [23]. Разработаны также
ловушки для откачных автоматов, применяемых в электровакуумной
промышленности для создания разрежения в радиолампах, магнетро-
нах и т. д. Шесть типов аналогичных охлаждаемых ловушек для
диффузионных насосов выпускает фирма «Edwards High Vacuum Ltd»
(Англия).
Термоэлектрический холодильник для радиационных балансомеров
применяется для повышения точности измерений тепловой радиации
путем создания режима, при котором температура приемной площадки
балансомера равна температуре окружающей среды. Такой режим
легко достигается при использовании термохолодильника (рис. XI.40).
Стабильная температура устанавливается в течение 30—60 с при ско-
рости ветра 5 м/с и температуре окружающего воздуха 24° С. Мак-
симальный рабочий ток 22 А, потребляемая мощность 2,3 Вт. Раз-
меры холодильника: диаметр 66 мм, высота 133 мм. Масса 600 г [23].
448
Охлажденный термозонд применяется для определения знака
проводимости полупроводников по измерениям термоЭДС. В ряде
случаев позволяет получить более надежные показания путем измере-
ний при пониженных температурах, исключающих влияние собствен-
ной проводимости. Конструкция прибора приведена на рис. XI. 41.
При токе 20 А на острие зонда устанавливается температура—17° С.
Потребляемая мощность 1,4 Вт.
Лабораторные микрохолодильники разработаны для получения
различных температур в замкнутых объемах. Конструкция прибора
с однокаскадной термобатареей, в котором достигается любая тем-
пература в интервале от—30 до 50° С (объем 75 см3), приведена
на рис. XI. 42. Максимальный потребляемый ток при охлаждении
45 А, при нагреве 10 А; максимальная потребляемая мощность 18 Вт,
время выхода в режим 25 мин. Теплоотвод от термобатареи жидко-
стный, расход воды 0,2 л/мин.
Схема микрохолодильника с двухкаскадной батареей приведена
на рис. XI. 43. При токе 52 А и напряжении 1,64 В максимальное
охлаждение в рабочей камере объемом 125 см3 составляет—53° С.
Максимальная температура в камере 55° С. Разработаны конструкции
микрохолодильников с блоком питания и терморегуляторами. При
объеме камеры 75 см3 регулируемый интервал температур состав-
ляет ±50° С. Максимальный ток в режиме охлаждения 50 А при
напряжении 1,64 В, в режиме разогрева — 6 А при напряжении 0,2 В.
Холодильники типа ТЛМ выпускаются заводом «Биофизприбор».
Объем холодильной камеры 120 см3, интервал температур от—34 до
50° С при температуре теплоотводящей воды 16° С, токе питания
(при охлаждении) до 30 А, напряжении 1,7 В. При нагреве ток до
11 А, напряжение 0,6 В. Время достижения экстремальных темпе-
ратур не более 1 ч, время непрерывной работы 72 ч.
Этим же заводом выпускаются холодильники XT-10В. Параметры
холодильника: объем холодильной камеры 10,7 дм3, температура воз-
духа в камере 5° С при температуре окружающего воздуха 35° С,
расход охлаждающей воды 20—30 л/-ч, ток питания 33 А, габарит-
ные размеры 380 X 376 X 420 мм, масса 15 кг.
Фирмой «Valvo» изготовлены микротермостаты для интервала
температур от —20 до 30° С. В приборе использованы четыре модуля
РТ 20/20 с током питания 20 А и напряжением 8 В. Максимальная
холодопроизводительность 100 Вт. При использовании контактного
термометра точность регулирования составляет ±0,1 К; при исполь-
зовании пропорционального регулятора ± 0,001 К. Микротермостахы.
выпускаются также фирмой «Dr. Neumann, Мер und Regeltechnik»;
интервал статирования температуры от—12 до 50° С, точность стати-
рования ± 0,08 К.
Испытательные камеры и термостаты разработаны для испытания
изделий при различных температурах. Для охлаждения применены
в основном двухкаскадные термобатареи. В конструкциях камер пре-
дусмотрены электрический ввод для подключения изделия и возмож-
ность испытания при механических перегрузках до 50g. В камере
с рабочим объемом 160x90x70 мм3 устанавливается температура в
интервале от—40 до 40° С. Максимальный ток в режиме охлаждения
45 А, напряжение 11 В; при разогреве максимальный ток 16 А,
напряжение 3,5 В. Для рабочей камеры объемом 125 X 70 X 70 мм3
температурный интервал составляет от—55 до 60° С. Максимальный
ток 47 А, напряжение 5 В. Применение терморегулятора позволяет
15	449
1
2
Рис. XI.40. Холодильник для радиационного балансомера:
1 — термоэлемент; 2—холодный спай; 3—охлаждающий полуцилиндр;
4 — ребра охлаждения; 5 — клеммы питания холодильника; 6 — крепления
холодильника; 7 —теплоизоляция из пенопласта; S — защитный пластмас-
совый чехол.
Рис. XI.41. Термоэлектрический термозонд:
1, 2 — токоподводящие шины; 3, 6 — термохолодильник; 4 — холодный
зонд; 5 — защитный колпачок; 7 — стяжное кольцо; 8 — токоподводы и
теплоотводы термохолодильника; 9 радиатор [23].
Рис. XI.42. Лабораторный микрохолодильник с однокаскадной
термобатареей:
1 —теплоизоляция; 2 — оболочка; 3 — крышка; 4 — защитное кольцо; 5 —-
рабочая камера; 6 — выточки; 7 — уплотняющее резиновое кольцо; 8 — клем-
мы ♦электропитания; 9 — водяные штуцеры; 10 — теплопроводный диск;
11 — термобатарея из пяти термоэлементов; 12 — эпоксидный компаунд;
13 — ножки прибора [23].
Рис. XI.43. Лабораторный микрохолодильник с двухкаскадной
термобатареей:
1 — щиток; 2 — клеммы; 3 — выводы термистора; 4 — микротермистор; 5 —
крышка; 6 —теплоизоляция; 7 — рабочий объем; 8 —керамические теплопе-
рех щы; 9 — штуцеры для охлаждающей воды; 10 — теплоотвод; 11 — тер-
мобатарея (пять термоэлементов в первом каскаде, два—во втором); 12 —кол-
лектор, горячих испаев, [2^].
4^0
поддерживать температуру с точностью ± 0,2 К. Охлаждение горячих
спаев термобатареи водяное, расход 75 л/ч.
Отечественной промышленностью ^(заводом «Биофизприбор») вы-
пускается комбинированная камера «Синтез» с полезным рабочим
объемом 310 X 290 X 290 мм3. В ней для охлаждения использован двух-
каскадный холодильник: в первом каскаде применена фреоновая ком-
прессионная машина, во втором — однокаскадная термоэлектрическая
батарея. Диапазон регулируемых температур от—50 до 60° С, точ-
ность поддержания температуры 2 К, время выхода в режим не более
3 ч, тепловыделение статируемого объекта не более 20 Вт. Потреб-
ляемая установкой мощность' не более 2 кВт, габаритные размеры
1310 X 810 X 1050 мм.
В СКВ Института физики АН Азербайджанской ССР разработана
термокамера «Союг» (охлаждаемый объем 30 л, рабочий интервал
от—50 до 50° С, точность стабилизации ± 1 К [27]).
Английской фирмой «Prestcold» разработана аналогичная комби-
нированная камера емкостью 60 л VCTE-2 с фреоновым и термоэлек-
трическим холодильниками Интервал регулируемых температур от
—80 до50°С. Изменение температуры производится встроенным в шкаф
электрическим нагревателем мощностью до 100 Вт. Точность поддер-
жания температуры составляет ± 0,5 К.
Термостаты-с двухкаскадными термобатареями для интервала
температур от —50 до 75°С разработаны в Японии; емкость камер
около 200 и 30 л, потребляемая мощность 300 Вт, точность статиро-
вания температуры ± 0,5 К.
В -ФРГ фирмой- «Valvo» изготовлены термостаты с камерой объе-
мом 120 X 120 X 180 мм3. Термохолодильники состоят из шести моду-
лей РТ 20/20; напряжение питания 12 В, ток 20 А. Точность регу-
лирования температуры составляет ± 0,3 К, максимальная холодо-
производительность 130 Вт. Охлаждение горячих спаев водяное, расход
2—3 л/мин.
Термостат типа ТТ1 разрсЛютан в Чехословакии. Объем камеры
0,5—1,0 л, интервал статируемых температур от—20 до 80°С. Разра-
ботан также термостат для измерения температурных зависимостей
электромагнитных деталей в интервале от—50 до 80°С.
Прибор для тарирования термометров имеет вид камеры, напол-
ненной жидкостью, температура которой может плавно изменяться
термоэлектрической батареей. В жидкость погружены образцовый и
градуируемый термометры. Схема прибора приведена на рис. XI. 44.
При использовании однокаскадной батареи градуировку можно про-
изводить в интервале от—30 до 50°С. Максимальный ток через бата-
реи 20 А, потребляемая мощность 20 Вт, охлаждаемый объем 75 см3.
Отвод тепла от термохолодильника осуществляется проточной водой
[23]. Такой же принцип работы использован в термостате ТТФ-1.
Нуль-термостаты предназначены для автоматического статирова-
ния на уровне.0°С спаев дифференциальных термопар. Охлаждение
производится термобатареей, включенной в цепь терморегулятора.
В первых вариантах приборов в качестве датчика температуры
использовались ртутный контактный термометр и термобатарея из
четырех термоэлементов. При охлаждении ток питания батареи сос-
тавляет 16 А, напряжение 0,4 В, точность статирован'ия 0 ± 0,015° С.
Теплоотвод воздушный с помощью цилиндрического радиатора.
Более высокая точность достигается, если в качестве датчика
температуры использован герметичный сильфон с водой и электриче-
15*	451
скими контактами. При 0°С вода замерзает, ее объем изменяется, что
вызывает перемещение сильфона и соответственно замыкание или
размыкание контактов термобатареи. Схема прибора приведена на рис.
XI. 45. При токе через батарею 16 А, напряжении 0,7 В статирова-
ние производится с точностью 0 ± 0,001°С. Теплоотводе горячих спаев
батареи осуществляется проточной водой (расход 0,5 л/мин).
Завод «Биофизприбор» выпускает термостат «Нуль-В». Точность
статирования ±0,05 К при температуре проточной воды 5—25°С,
расход не менее 50 л/ч, потребляемая электрическая мощность 55 Вт.
Рис. XI.44. Прибор для тарирования термометров:
1 — отверстия для термометров; 2 — крышка; 3 — пенопласт; 4 — охлаж-
даемая жидкость; 5 — корпус; 6 — стакан; 7 — штуцеры; 8 — термобата-
рея; 9 — водяное охлаждение [23].
Рис. XI.45. Схема нуль-термостата:
1 — контакты; 2 — уплотнение; 3 — штуцер; 4 — термоэлементы; 5 —
спаи термопар; 6 — медный цилиндр; 7 — сильфон [23].
Нуль-термостат НТ-30 предназначен для термостатирования 60
термопар с относительно большим сечением термоэлектродов. Время
выхода в 'режим 1 ч, систематическая погрешность 0,3 К, случайные
погрешности ± 0,05 К, точность статирования температур любых двух
ячеек не более ± 0,05 К. Температура поддерживается механическим
регулятором с сильфоном. Потребляемая мощность 220 Вт [43].
Фирма «Valvo» для регулирования температуры в нуль-термоста-
тах использует изменение сопротивления воды при переходе в твердое
состояние. Столбик воды включен в мост переменного тока, напря-
жение разбаланса моста выпрямляется и используется для управле-
ния током питания термоэлектрического модуля. Точность регулиро-
вания ± 0,01 К. Фирма «Dr. Neumann, Мер und Regeltechnik» выпускает
термостаты с одной температурой статирования, которая поддержи-
вается с точностью ± 0,008 К при максимальной температуре окру-
жающей среды 40°С; созданы и специальные термостаты для макси-
мальных температур окружающей среды до 80°С.
Фирмой «De La Rue Frigistor Ltd» разработан нуль-термостат для
стабилизации температуры холодных спаев 180 хромель-копелевых
452
термопар диаметром 0,2 мм с точностью ± 0,05 К. Статирование про-
изводится при температуре окружающей среды 2—32°С. Потребляемая
прибором электрическая мощность 50 Вт, охлаждение горячих спаев
термобатареи естественное, воздушное.
* Термостат для коксогазовой промышленности изготовлен для
контроля количества нафталина в горячих газах. Термоэлектрическая
батарея создает необходимый температурный режим в камере. Состоит
из 16 элементов, ток питания 60 А, потребляемая мощность 150 Вт.
В рабочей камере объемом 3,75 л поддерживается температура 0°С
с точностью ±0,1 К. Схема прибора
приведена на рис. XI. 46 [23].
Стабилизатор температуры фото-
раствора предназначен для статирова-
ния температуры фоторастворов при
18°С. Схема прибора приведена на вис.
XI. 47. Применены две термобатареи
по 76 термоэлементов в каждой. Рабо-
чий ток 75 А, напряжение 13,6 В, хо-
лодильный коэффициент 0,733. Расход
воды при 30°С для охлаждения горя-
чих спаев батареи 350 л/ч, количество
охлаждаемого до 18°С фотораствора
460 л/ч. В приборе использована элек-
тронная схема для стабилизации тем-
пературы [23].
Рис. XI.46. Термоэлектрический тер-
мостат для газового анализатора:
1 — однокаскадная термобатарея; 2 — водя-
ной теплоотвод; 3—рабочая камера^ 4 —
датчик температуры; 5 — изоляция из пено-
пласта; 6 — шнековая машинка; 7 — перего-
родки; 8 — охлаждаемые склянки Дрекселя;
9— электродвигатель; 10 — крышка [23].
10
9-
Фирмой «Sanyo» (Япония) разработан термоэлектрический холо-
дильник бачка* для проявления фотоматериалов с электронным термо-
регулятором.
Приборы для определения температуры застывания нефтепро-
дуктов. Застывание нефтепродуктов определяется по затуханию
ультразвуковых колебаний при различных температурах, задаваемых
термоэлектрической батареей. Схема прибора приведена на рис. XI. 48.
При использовании однокаскадной батареи из пяти термоэлементов
ток питания составляет 34 А, напряжение 0,87 В, максимальное сни-
жение температуры до 25° С, время установления минимальной темпе-
ратуры 10 мин. Для высвобождения нефтепродукта из кюветы пред-
варительно производится разогрев током 4 А. Объем рабочей камеры
33 см3, расход воды 100 л/ч. При использовании двухкаскадной тер-
мобатареи (в первом каскаде 10 термоэлементов, во втором 2) охлаж-
дение достигает —42°С при температуре теплоотводящей воды 30°С,
токе 50 А, напряжении 2,27 В.
Термохолодильники использованы и при определении температуры
застывания нефтепродуктов методом Паллея. В этом случае на нефте-
453
продукт воздействует циклическое давление, подводимое к одной
стороне кюветы, и определяется температура, при которой изменение
давления не достигает второй стороны кюветы. Для снижения тем-
пературы использована термобатарея, охлаждающая до—44,6° С от
температуры 30°С при токе 56 А, напряжении 1,26 В. При нагреве
ток через батарею составляет 10 А, напряжение 0,76 В. Температура
5°С достигается за 4 мин.
Рис. XI.47. Стабилизатор температуры фого-
раствора:
1 — штуцеры для воды; 2 — штуцеры для фотораство-
ра; 3 — ребра для улучшения теплообмена; 4 — метал-
лическая спираль для улучшения теплообмена; 5 —>
теплообменник фотораствора; 6,7 — коммутационные
пластины; 8, 9 — термобатареи; 10 -- теплообменник
[23].
- Для исследования нефтепродуктов с низкой температурой засты-
вания использованы две трехкаскадные батареи: первый каскад из 15,
второй — из трех, третий — из одного термоэлемента. От 30°С полу-
чено охлаждение—62°С Рабочий гок термобатареи 42 А при напря-
жении 3,7 В, время достижения минимальной температуры 20 мин.
Рис. XI.48. Схема прибора для
определения температуры засты-
вания нефтепродуктов:
1 — термобатареи; 2 — коммутационные
пластины; 3, 4 — кювета с нефтепро-
дуктом; 6 — штуцеры для ввода и вы-
вода нефтепродуктов; 5 — теплоотвод;
7 — участки трубопроводов из материа-
лов с малым коэффициентом теплопро-
водности; 8 — термистор; 9 — ультра-
звуковой вибратор; 10 — штуцер для
охлаждающей воды [23].
В режиме нагрева до 10°С ток питания составляет 7 А при напря-
жении 0,4В Расход воды 80 л/ч [23].
Сигнализатор обледенения состоит из термобатареи и охлажден-
ного ею стержня установленного за бортом самолета. При возник-
новении условий обледенение на охлажденном стержне лед образуется
раньше, чем на других частях самолета. Датчик обледенения сигна-
454
лизирует о возникновении льда на стержне и при необходимости вклю-
чает систему антиобледенения.
Охлаждающие лабораторные плиты. Фирмой «Cambridge Thermo-
ionic Со» создано семь вариантов охлаждающих плит. Основной —
7200-1, с регулируемой холодопроизводительностью 40 Вт; плита
7220-4, полностью автоматизированная (диапазон температуры от 0
до 60° С). Изготовляются также плиты, стабилизирующие темпера-
туру при химических реакциях, радиоактивном распаде и др. Фирмой
«Valvo» изготовлен такого типа прибор с медной плитой 500 X 500 X
X 7 мм, температура которой поддерживается с точностью ± 0,2 К.
Для охлаждения плиты использованы 32 модуля РТ 20/20, теплоот-
вод от модулей производится проточной водой (4—5 л/мин). Ток-пи-
тания 19 А при напряжении 57 В.
Охлаждающие плиты изготовляются фирмой «Cice» во Франции.
Например, прибор FP-3A с активной охлаждающей поверхностью
140 см2 при окружающей температуре 20°С позволяет получить сни-
жение температуры до—10°С. Применены три батареи Frigatron,
потребляющие ток 18 А при напряжении 5,2 В.
Охладитель реакционных стаканов и пробирок. В ГСКБ ТФП раз-
работан термоэлектрический стабилизатор температуры пробирок ТСП.
Прибор выполнен в виде двух блоков — термоблока и блока регу-
лирования. Использовано водяное охлаждение горячих спаев термопар.
Температура охлаждающей воды 5—22°С, расход воды около 20Q л/ч.
Температуры статирования от—1 до Д00°С, точность регулирования
± 1 К. Потребляемая мощность около 0,5 кВт [52].
В аналогичном приборе использован модуль РТ20/20 с водяным
охлаждением. Интервал регулируемых температур от—20 до 70°С.
В камеру загружается шесть- пробирок. Вариант охладителя проби-
рок до—25°С изготовлен в ГДР; использована термобатарея разме-
рами 50 X 60 X 24,5 мм; охлаждение водяное (расход 20—30 л/ч).
Термоэлектрический дилатометр применяется для определения
коэффициента термического расширения. Однокаскадными термобата-
реями производится изменение температуры образца в интервале от
—25 до 70°С. Изменение длины образца регистрируется индикатором.
Ток питания батарей составляет 20 А, напряжение 4 В, отвод тепла
осуществляется проточной водой.
Прибор для определения температур воспламенения. В приборе
использован модуль РТ20/20 с водяным схлаждением (расход воды
0,5 л/мин). Регистрируемый интервал температур от—20 до 80°С.
Прибор для скалывания стеклянных трубок. Для скалывания
конических стеклянных трубок, например, при изготовлении кине-
скопов, место скалывания разогревается и приводится в контакт с
ножом^охлажденным-до температуры—5°С. Охлаждение ножа тер-
моэлектрическое. В приборе фирмы «Valvo» для этой цели исполь-
зован модуль РТ20/20 с водяным охлаждением; ток питания 20 А.
Прибор для зонной очистки. При очистке материалов зонной плав-
кой применяется различная растворимость примесей в жидкой и твер-
дой фазах. Очищаемый материал используется в виде длинных стерж-
ней, участок (зона) стержня расплавляется и медленно перемещается
вдоль стержня. Для материалов с низкой (ниже комнатной) темпе-
ратурой плавления расплавленная зона создается без дополнитель-
ного нагрева при охлаждении твердой фазы термоэлектрическим хо-
лодильником. В одном из вариантов для охлаждения использованы
Десять последовательно включенных модулей РТ 20/20. Отвод тепла
455
от модулей осуществляется проточной водой (расход 4 л/мин); потреб-
ляемая электрическая мощность около 400 Вт. Очищаются вещества
с температурой плавления от—10 до 70°С.
Микроклиматическая камера используется для биологических ис-
следований. В камеру помещаются отдельные листья или небольшие
ветви, остальная часть растения — вне камеры; термоэлектрический
модуль с терморегулятором поддерживает необходимую температуру.
В камере измеряются выделения паров и углекислого газа.
Осмометр. Используется термоэлектрическое охлаждение и стаби-
лиз< ция температуры с точностью ± 0,025°С в приборах для опреде-
ления температуры замерзания жидкостей и растворов.
Прибор для сублимационной сушки используется в анатомических
лабораториях. Для обеспечения испарения из твердого состояния
обрабатываемый объект охлаждается двухкаскадной термобатареей
до—60°С и вакуумируется. После окончания сушки термобатареей
производится разогрев объекта для пропитки воском (фирма «De La
Rue Fri Mor Ltd»).
Прибор для испытания красок и масел предназначен для испы-
тания свойств кр сок»и масел при пониженных температурах. Фирма
«De La Rue Frigistor Ltd» разработала вариант прибора с двухкас-
кадной охлаждающей термобатареей.
Осушитель для трансформаторов применяется в мощных тран-
сформаторах для осушения воздуха путем конденсации влаги на ох-
лажденных термобатареей частях прибора [28]. Для трансформатора
с 37 800 л масла потребляемая термобатареей мощность составляет
100 Вт.
Термопробник предназначен для испытания небольших электрон-
ных систем при пониженных температурах. Вариант прибора изготов-
лен фирмой «Daustrom Ltd» (Канада). Прибор имеет вид двух зондов,
охлаждаемых термобатареями, испытываемое изделие помещается
между зондами.
Термостат для хроматографии. Использованы полупроводниковые
термоэлектрические модули для статирования температуры анализи-
руемого хроматографом газа.
Термостат для нормального элемента. Применяется для стабили-
зации температуры встроенного в измерительный прибор нормального
элемента. В приборе ТЭИ-402 температура статирования 20 ± 0,05° С,
нестабильность за 100 ч не более ±0,002 К, потребляемая мощность
90 Вт, габаритные размеры 345 X 270 X 225 мм, масса 22 кг.
§ 5. Термохолодильники на транспорте
Охладители питьевой воды. Применяются для снижения температуры
воды до 15°С. Использованы батареи с оребрением холодных спаев,
погруженных в кипяченую воду, предварительно остуженную до
температуры окружающей среды (35°С). Горячие спаи через радиа-
торную систему охлаждаются магистральной водой. Охладитель ВО-2
производительностью 7 л/ч потребляет 200 Вт электрической мощ-
ности. Может использоваться в пассажирских железнодорожных
вагонах, на речных и океанских судах. Обладает преимуществами
перед компрессорными охладителями (например, ОВК-380).
В ГСКБ ТФП разработан охладитель воды ХВ-0,3 холодопро-
изводительностью 480 Вт; снижает температуру воды от 308 до 294 К.
456
расход холодной и горячей воды 28 см3/с, потребляемая электричес-
кая мощность 0,50 кВт, размеры 0,25 X 0,25 X 0,3 мм [10].
Варианты конструкций охладителей жидкости описаны также
в работах [32, 35].
Локальные воздухоохладители. Перегрев воздуха в кабинах трак-
торов и автомобилей отрицательно сказывается на самочувствии во-
дителя, снижает производительность труда. Применение кондициони-
рованного воздуха повышает производительность труда на 20—35*6.
Хотя применение полного кондиционирования в тракторных кабинах
и создает наибольший комфорт, однако оно сдерживается сложностью
и громоздкостью установок. Более просты и экономичны локальные
охладители. В этом случае могут быть использованы кондиционеры,
холодопроизводительность которых меньше ориентировочно в 10 раз,
[42]•	. ,
Попытки применения термоэлектрических кондиционеров пред-
принимались в США фирмой «Texas Instruments». Изготовлена уста-
новка для автобусов (КПД 0,14). В Японии разработан кондиционер
холодопроизводительностью 0,8—0,9 кВт с КПД около 1,0 для легко-
вого автомобиля «Крайслер».
В СССР разработаны воздухоохладители холодопроизводитель-
ностью 130 Вт, количество охлаждаемого воздуха 40—50 м3/ч. Дости-
гается снижение температуры на 8—10°С при токе питания 25,5 А
и напряжении 12,5 В. В качестве теплообменников применены иголь-
чатые радиаторы. Испытания на тракторах и автомобилях подтвер-
дили надежность термохолодильников и целесообразность исполь-
зования кондиционеров с холодопроизводительностью 300—350 Вт
[42].
Для трактора «Кировец» разработан охладитель воздуха КТР-0,3
холодопроизводительностью 350 Вт (снижает температуру наружного
воздуха на 8—10 К). Потребляемая мощность 500 Вт, расход охлаж-
даемого воздуха 0,035 м3/с, охлаждающего —0,07 м2/с, размеры при-
бора 0,8 X 0,5 ХО,2 м3, питание 12 В постоянного тока [10].
. В охладителе для автомобилей Кременчугского автозавода холо-
допроизводительность 300 Вт, ток питания 19—22 А, напряжение 24 В
[31].
Кондиционеры. В ГСКБ ТФП разработаны 15 вариантов тран-
спортных кондиционеров. Это, в частности, КР-1—для охлажде-
ния электронной аппаратуры транспортного объекта холодопроиз-
водительностью 1,15 кВт; КР-2—для стабилизации температуры элек-
тронной аппаратуры холодопроизводительностью 2,3 кВт; КР-3
— для кондиционирования воздуха в аппаратном помещении холодо-
производительностью 3,4 кВт (использован в одном транспортном
объекте с КР'1). В перечисленных кондиционерах использован воз-
душный теплообмен. Кондиционер КС-6 холодопроизводительностью
7 кВт разработан для регулировки режима ЭВМ. В кондиционере
'КС-9 использован теплообмен с морской водой [22]. Сведения о не-
которых других типах промышленных кондиционеров приведены в
табл. XI. 13.
В США разработаны термоэлектрические кондиционеры для под-
водных лодок. В термоэлектрическом блоке использовано 24 батареи,
в каждой по 65 термоэлементов диаметром 12 мм и высотой 3,56 мм.
’Охлаждение горячих спаев осуществляется забортной водой, теплооб-
мен холодных спаев воздушный. Масса полупроводникового материала
в кондиционере 9,1 кг, Z=2,3 х 10~3 К”1. В улучшенном вариан-
457
Таблица XI.13
Параметры транспортных термоэлектрических кондиционеров [31]
Параметр	Тепловозный КТТР-4Г	Судовой	пнт-вв-1	Транспорт- I ный охлади- | тель воздуха 1
Холодопроиз- водитель- ность, кВт	4,7	13,9 '	0,55	0,29
Тепловыделе- ние в режи- ме нагрева, кВт '	9,5			
Температура охлажден- ного воз- духа, °C	)	4	1	
Производи- тельность по кондицио- нируемому воздуху, м3/ч	1400—1600	8000	141	
Холодильный коэффициент	0,39	0,7	• 0,7	—
Масса блока модулей, кг Габаритные размеры кон- диционера, мм	—	396	—	17
	—	1000x600x240	830x540x330	
те батарей высота термоэлементов составляет 2,54 мм, масса термо-
электрического материала 5, 17 кг. Холодопроизводительность в но-
минальном режиме 504 ккал/ч, в улучшенном варианте 643 ккал/ч.
Фирмой «Radio Corporation of America» разработан кондиционер
для подводных лодок холодопроизводительностью 300 кВт. Конди-
ционированию подвергалось 6720 м3/ч воздуха. Термобатарея состояла
из 4 тыс. термоэлементов Bi — Те, масса установки 9 т.
Холодильники для железнодорожного транспорта. Термошкаф
типа KF-10 емкостью 10 л для охлаждения до 6°С или подогрева’
до 70°С продуктов и напитков установлен на тепловозах и электро-
возах (ФРГ). При напряжении 6 В, рабочем токе 6 А и температуре
окружающего воздуха 30°С минимальная температура в режиме ох-
лаждения 5°С. Терморегулятор поддерживает минимальную темпе-
ратуру не ниже 4°С и максимальную не выше 70 ± 3°С.
В ЧССР разработан холодильный шкаф объемом около 20 л ДЛЯ
хранения пищевых продуктов подвижных бригад, обслуживающих же-
лезнодорожный транспорт.
458
Разработан охладитель питьевой воды для локомотивов. Термо-
батарея охлаждает воду до температуры ниже температуры окружаю-
щей среды на 29°G Размеры прибора 27 X 23 х 33 см.
Холодильники для подводных лодок. Разработаны в США для хра-
нения охлажденных и замороженных продуктов Содержат низкотем-
пературную камеру объемом 14 м3(холодопроизводительность 3,3 кВт
при—17,8° С), камеру для охлаждения продуктов объемом 4,26 м3
(холодопроизводительность 0,7 кВт при—1,1° С), холодильный шкаф
объемом 1,28м3 с льдогенератором (холодопроизводительность 1,2 кВт,
производительность льда 10,9 кг за'4 ч), фризер производительностью
26 кг/ч и холодильники с водоохладителем (холодопроизводительность
0,34 кВт). В холодильнике применены термобатареи с термоэлемен-
тами диаметром 7,1 мм и высотой 9,5 мм В термобатарее 48 элемен-
тов. Охлаждение горячих спаев осуществляется проточной водой,
теплообмен на холодных спаях воздушный. В низкотемпературной
камере 360 батарей, при нормальных условиях эксплуатации потреб-
ляемая мощность 7,8 кВт, холодильный коэффициент 8 = 0,25. По про-
стоте обслуживания, экономии запасных частей, быстроте оттаива-
ния, степени загрязнения воздуха, занимаемому объему, массе, на-
дежности, шуму и стоимости монтажа термоэлектрическое охлажде-
ние обладает преимуществами по сравнению с компрессорным.
Автомобильные холодильники. В СССР серийно выпускается пе-
реносный автомобильный холодильник ХАТЭ-12-УЧ. В нем применен
принудительный (от вентилятора) обдув горячих спаев термобатареи.
Объем холодильной камеры 12 л, напряжение постоянного тока 12 В,
сила тока 3,5 А, потребляемая мощность около 50 Вт. Разность тем-
ператур между окружающей средой и холодильной камерой 18—24 К.
Масса холодильника составляет 8 кг, размеры 390 X 260 X480 мм,
время выхода на установившийся режим не более 3 ч. Сведения
о других автомобильных холодильниках, разработанных в СССР, при-
ведены в табл. XI. 14.
За рубежом холодильники изготовляются рядом фирм — для ис-
пользования в легковых автомобилях, дачах-прицепах, самолетах.
Холодильник емкостью 15 л разработан фирмой «Alaska — Werk* (ФРГ).
Питание от 6—12 В постоянного тока и ПО—220 В переменного тока.
Потребляемая мощность постоянного тока 72 Вт. Теплоотвод от го-
рячих спаев воздушный, принудительный от вентилятора. Высота при-
бора 340 мм, другие размеры 400 X 350 мм. Фирма «Siemens Electro-
gerate» выпустила холодильник такой же емкости. Этой фирмой вы-
пущен холодильник с двумя камерами емкостью по 40 л. Потребляе-
мая мощность 400 Вт от сети 115—220 В, 400 Гц.
В Японии фирмой «Sanyo» изготовлены холодильники емкостью
5,3 л. При температуре окружающей среды 30° С в холодильнике
поддерживается температура 4° С. Размеры холодильника 875 X 298 X
X 229 мм.
Фирмой «Wright» (США) разработан холодильник с питанием как
от аккумуляторов 12 В, так и от сети переменного тока 115 В.
В холодильнике используются два встроенных аккумулятора, кото-
рые обеспечивают его работу в течение двух суток. Емкость холо-
дильника 17 л, температура в холодильной камере на 20—22 К ниже
температуры окружающего воздуха. Разработан вариант холодиль-
ника, который можно вмонтировать под щитком прибора. Объем хо-
лодильной камеры 326 X 132 X 96 мм3. Питание током 6 А при 12 В,
для отвода тепла служит вентилятор. В холодильнике использованы
459
Таблица XI.14
Параметры термоэлектрических автомобильных холодильников [31]
Тип холо- дильника	Емкость хо- лодильной ка- меры, дм3	Температура в холодиль- ной камере, °C	Разность тем- ператур, К	Рабочий ток, L		Потребляе- мая мощ- ность, Вт	Габарит- ные раз- меры, мм	Масса, кг
ХАТЭ-12	12	5	20	2,5	30-40	485 х 260 X Х385	6
ТЭХ-20	20	’ —	22-25	—	40-50	490X320X Х450	13
Электро-1	14	5	20	3,5	37—45	250X430X Х520	28
Электро-2	40	5—7	20	—	50-65	430х430X Х520	38
ГИАП	50	—	25	12	200	—	—
ОТИХП	7,6	7,5/15	22,5/15	2,54/1,22	41,3/14,6	310Х190Х Х420	5,5
ОТИХП	7,6	9,5/13,6	20,5/13,4	2,15/1,2	26/14,4	310Х190Х Х420	—
две термобатареи по 80 термоэлементов. Разработан также вариант
с объемом холодильной камеры 150 X 150 X 130 мм3. В ГДР выпус-
кается автомобильный холодильник АСВ15 емкостью 15 л. Притем-
пературе окружающей среды 32° С в холодильнике поддерживается
5—8° С. Питание прибора от аккумулятора напряжением 6 В, раз-
меры 400 X 260 X 560 мм, масса 7 кг.
Фирмой «Dr. Neumann, Мер und Regeltechnik» разработан холо-
дильник «подлокотник» емкостью 7,3 л. Могут использоваться в тран-
спортных лабораториях для перевозки консервированной крови, цвет-
ной кинопленки, а также для бытовых целей. Устанавливается на
переднем сиденье автомобиля, может подключаться к прикуривателю.
Питание от сети постоянного тока 6; 12 В и переменного 220 В,
потребляемая цощность 30—40 Вт. Охлаждение ниже температуры
окружающей среды на 22° С. Может быть переведен и в режим по-
догрева. Размеры 340 X 90 X 500 мм, масса 3,2 кг.
Холодильник для автобусов разработан фирмой «Valvo» (ФРГ).
В приборе использованы два модуля РТ47/5. Объем холодильной
камеры 10 л, охлаждение от 28 до 10° С при потребляемой мощности
25 Вт. При окружающей температуре 21° С потребляет 15 Вт. Тем-
пература в камере поддерживается терморегулятором, теплоотвод —
водяным теплообменником с воздушным конденсатором.
Судовые холодильники. Отвод тепла от горячих спаев термоба-
тарей забортной водой создает благоприятные условия для работы
термоэлектрических холодильников. В одном из вариантов судового
холодильного шкафа получены следующие параметры: при охлаж-
даемом-; объеме 170 л, токе через термобатарею 42,5 А, напряжении
3,25 В и расходе воды 300 л/ч охлаждение^ до (2 ± 2)° С [58]. Фир-
мой «Westinghouse» разработан водоохладитель с термобатареями по
460 ~
432 термоэлемента в каждой. Теплоотвод производится морской водой.
При температуре охлаждающей воды 29,5° С, расходе воды 680 л/ч,
потребляемом токе около 18 А, холодопроизводительности 380 Вт
холодильный коэффициент равен 1.
Холодильник для самолетов. В воздухоохладителе ОЧ-М, при-
меняемом в сельскохозяйственных самолетах АН-2, вертолетах К-26
и Ми-2, холодопроизводительность 310 Вт; ток питания 25 А, напря-
жение 27 В.
В разработанном фирмой «Timmins Aviation Ltd» воздухоохла-
дителе использован универсальный охладитель «FrigiPak», содержа-
щий 32 термоэлемента, теплопереход, радиатор горячих спаев, элек-
тродвигатель с вентилятором для принудительного охлаждения и
блок питания. Минимальная температура на холодных спаях —25° С
при температуре окружающей среды 25° С, при тепловой нагрузке
0,5 Вт охлаждение'—4° С. Батарея потребляет 12,5 А при напряже-
нии 3,4 В.
§ 6. Термоэлектрические охладители
в медицине и биологии
Термоэлектрическое охлаждение используется в новых областях
медицины — криотерапии и криохирургии. Разработаны термо-
электрические холодильники, успешно используемые в нейрохи-
рургии, пластической хирургии, травматологии, патологической ана-
томии, офтальмологии, урологии, дерматологии и др.
Термоэлектрический криоэкстрактор разработан для извлече-
ния помутневших хрусталиков. Конструкция прибора приведена
на рис. XI.49. Термоэлектрический холодильник[23] используется
Рис. XI .49. Термоэлектрический криоэкстрактор:
1 — охлаждаемый наконечник; 2 — корпус; 3 — термоэле-
мент; 4 — трубки водяного охлаждения; 5— кожух; 6 —
комбинированные наконечники для подвода воды и элект-
ричества [23].
для охлаждения наконечника, который примораживается к хрус-
талику. Ток через холодильник составляет 90 А, напряжение 1,7 В,
температура наконечника от —25 до —30° С, время выхода в режим
около 2 мин, время разогрева наконечника 20—25 с. Для отвода теп-
ла от горячих спаев использована проточная вода. Гарантийный
срок службы прибора 5 лет.
Аналогичные варианты приборов изготовлены за рубежом:
в них температура наконечников от —15 до —20° С достигается
двумя термоэлементами, охлаждение горячих спаев производится
также проточной водой, оттаивание наконечника происходит при
пропускании переменного тока.
Разработан улучшенный вариант криоэкстрактора с двухкас,
кадной термобатареей; в первом каскаде применены 30 термоэлемен_
461
тов длиной 2,4 мм и сечением 28,3 мм2, во втором — соответственно
3,8 мм и 4,8 мм2. Минимальная температура при охлаждении от
20° С составляет 238 К. При использовании прокачиваемой .охлаж-
дающей жидкости, предварительно охлажденной до 243 К, термо-
батареей достигается дополнительное охлаждение до 213 К- По-
требляемая электрическая мощность составляет 50 Вт, масса при-
бора 250 г [40].
Применяются и криоэкстракторы без токовых проводников и
шлангов, предварительно охлажденные до температуры —40
—50° С (зероторного типа). Тело прибора заполнено веществом,
плавящимся при низких температурах, его температура поддержи-
вается на требуемом уровне за счет скрытой теплоты плавления.
Предварительное .охлаждение производится двухкаскадной термо-
батареей с водяным охлаждением (рис. XL50, XI.51) [19J.
Рис. XI.50. Охладитель криоэкст-
ракторов зероторного типа:
1 — теплоотвод проточной водой; 2 —
ребра горячих спаев; 3 — ребра холод-
ных спаев; 4 — гнездо для криоэкст-
рактора; 5 — двухкаскадные термоба-
тареи; 6 —корпус [19].
Для криохирургии предложен низкотемпературный охладитель
с полупроводниковой двухкаскадной термобатареей, вмонтирован-
ной в теплоизолированном корпусе. Горячие спаи батареи охлажда-
ются тающим льдом. Рабочая часть прибора соединена ’ шлангом
с камерой, охлаждаемой термобатареей. Тепло от рабочей части от-
водится кипящим фреоном (рис. XI.52) [19]. В рабочей части при-
бора минимальная температура — 90° С.
Термод применяется для локального охлаждения поверхности
кожи с целью исследования рефлекторных явлений и лечения кож-
ных заболеваний [23] (рис. XI. 53). Минимальная температура ра-
бочей поверхности прибора —37° С, максимальная 50° С, макси-
мальный рабочий ток 30 А, расход воды 0,8 л/мин. Прибор имеет
вид ручки диаметром 40 мм, длиной 150 мм и массой 400 г.
Применение локального охлаждения на 8—10 К позволяет
излечивать экземы и другие кожные заболевания. Для охлажде-
ния используются слаботочные термобатареи с питанием от акку-
муляторов. Схема одного из таких приборов, разработанных в
СССР [23], приведена на рис. XI.54. Здесь применен однокаскадный
холодильник из 12 термоэлементов. Ток питания ЗА, напряжение
0,4 В, диаметр охлаждающей поверхности 50 мм. Аналогичные при-
боры разработаны за рубежом.
Холодильник для пластической хирургии применяется для ох-
лаждения блока пересаживаемой ткани при пластических опера-
циях. Из-за пониженного притока крови к пересаживаемому блоку
его температуру необходимо поддерживать на * 15—20 К ниже
нормальной температуры тела. Охлаждение производится длитель-
ное время (до"йескольких месяцев). Охлаждающие поверхности хо-
лодильника изготовляются из листового свинца, им придается фор-
ма, обеспечивающая тепловой контакт с пересаживаемой тканью.
462
Вариант конструкции холодильника, разработанный в СССР, при-
веден на рис. XI.55. Рабочий ток термохолодильника до 40 А, нап-
ряжение до 0,65 В. Отвод тепла от горячих спаев производится
проточной водой. Снижение температуры до
10—15° С. Диаметр прибора 40 мм, высота
25 мм, масса 200 г. Известны зарубежные ва-
рианты такого прибора. Более совершенный
Рис. XI.51. Конструкция криоэкстрактора зеротор-
ного типа:
1 — рабочая поверхность; 2 — головка; 3 корпус; 4 —»
раствор; 5 — теплопроводная трубка [19].
Рис. XI.52. Охладитель для получения понижен-
ных температур:
1 — тающий лед; 2 — камера для льда; 3 <— горячие спай
термобатареи; 4 — двухкаскадная термобатарея; 5 — хо-
лодные спаи термобатареи; 6 — конденсирующая фреон
камера; 7 — криоэкстрактор.
Рис. XI.53. Схема прибора для локального охлаждения:
1 охлаждаемая поверхность; 2 — термоэлемент; 3 — токопод-
воды к-термоэлементу; 4 — канал для охлаждающей жидкости;
5 — корпус из эбонита; 6 «= шланги; 7 «— токонесущие провода
[23].
прибор (Гипер-гипотерм) разработан в СКВ Института физики АН
АзССР. Он состоит из полупроводниковых термоэлементов, вмон-
тированных в резиновую основу и соединенных коммутационными
463
пластинами с теплосъемниками. Тепло от горячих спаев отво-
дится проточной водой. Для плотного прилегания к охлаждаемым
участкам поверхность блока термобатареи выполнена по форме
охлаждающего участка. Температура регулируется и стабилизи-
руется в диапазоне от —15 до 50° С, потребляемая мощность 17 Вт,
площадь охлаждаемой поверхности 20 см [3].
Термоэлектрический криошлем применяется* для снижения
температуры мозговой ткани и предотвращения ее гибели при кисло-
родной недостаточности, вызванной тяжелыми травмами головы.
При температуре головного мозга 26° С потребление кислорода
Рис. XI.54. Микрохолодильник для лечения кожных заболеваний-
1 — теплоотвод; 2 — ребра охлаждения; 3 — клеммы; 4 — корпус из пластмас*
сы; 5, 5 — коммутационные пластины; 6 — охлаждаемая поверхность; /-—тер-
моэлементы [23].
Рис. XI.55. Термоэлектрический холодильник для пластической хи-
рургии:
1 — токоподводы; 2 — канал для воды; 3, 6 — ветви термоэлемента; 4 — накид-
ная гайка; 5 свинцовая охлаждающая поверхность [23].
клетками cнижaeтqя в два раза. Криошлем содержит резиновую
мембрану, плотно прилегающую к голове больного; снижение темпе-
ратуры достигается термоэлементами, вмонтированными в крио-
шлем. Применение регулятора позволяет поддерживать температуру
в интервале от —20 до 50° С. Питание крисшлема осуществляется
от. автомобильных аккумуляторов машины скорой помощи [48].
Термохолэдильник для церебральной гипотермии. Для' уменьше-
ния кислородного голодания мозга при хирургических операциях
в ГСКБ ТФП разработан термоэлектрический холодильник
«Холод-2». При температуре охлаждающей воды 296 К темпе-
ратура хладоносителя снижается до 273 К,холодопроизвюдительнрсть
прибора 1,4 кВт. Расход воды 220 см3/с, хладоносителя — 420 см3/с,
потребляемая мощность 3 кВт. Прибор используется и для нормоте-
рапии и реанимации.
Для этих же целей разработана и изготовлена серия термо-
электрических аппаратов «Гипотерм» [4, 5], позволяющих произво-
дить локальные охлаждения или разогрев в интервале от —20 до
50° С. Время выхода в режим 10 мин.
Микрохолодильник для нейрохирургии. Миниатюрными твер-
дотельными охладителями (зондами) производится в нейрохирур-
гической практике охлаждение отдельных участков головного моз*
га. Они вводятся в трепанационное отверстие черепной коробки для
464
локального охлаждения до 5° С. Холодные зонды, в частности, раз-
работаны фирмой «Siemens—Schuckert—Werke», которая изготов-
ляет также охладители для сердечной диагностики, местной ане-
стезии, стоматологической практики.
Микротомные столики. Для гистологических, патологоанатоми-
ческих,, цитологически^ исследований используют тонкие срезы
биологической ткани. Качественные срезы получаются на заморо-
женных тканях. Для замораживания
эффективно применение термоэлек-
трического охлаждения. В первых
вариантах холодильников для микро-
томов использовался воздушный от-
вод тепла от горячих спаев. Более
Рис. XI.56. Микротомный * термоэлектрический охлаждающий
столик:
1 — термобатарея; 2 — штуцеры для воды; 3 — горячие коммутационные
пластины с каналом для воды; 4 — штифт для крепления столика; 5 —
основание; 6 — корпус из эпоксидной смолы; 7 — холодные коммутацион-
ные пластины; 8— клеммы [23].
Рис. XI.57. Термоэлектрический охладитель физиологического
раствора:
1	— штуцер для раствора; 2 — теплообменник; 3 — холодные стенки;
4	— холодные спаи батареи; 5 — электроизоляционные теплопереходы;
6	— оребрение [19].
совершенны приборы, охлаждаемые проточной водой. В варианте
столика с рабочей площадью 240 мм2 при токе 12 А, напряжении
0,3 В, температуре охлаждающей воды 18—20°С минимальная тем-
пература охлаждения 5—10° С. Время выхода в режим до 3 мин.
Для варианта столика ТОС-П с увеличенной охлаждаемой
поверхностью (40 X 40 мм2) ток питания термобатареи увеличен
до 35 А, оптимальное напряжение — до 0,3 В, температура охлаж-
дения достигает —20° С. При использовании батареи из пяти после-
довательно включенных термоэлементов (рис. XI. 56) ток питания
уменьшен до 20 А.
варианты микротомных охлаждающих столиков разработаны
за рубежом. В прибррах фирмы «De La Rue Frigistor Ltd» исполь-
зованы термохолодильники типа FS, снижающие температуру био-
логических препаратов до —35°С при токе питания 15 А и напряже-
нии 1,5 В.
Термоэлектрическое охлаждение физиологического раствора.
Используется при онкологических операциях для снижения темпе-
ратуры физиологического раствора до —20° С. Разработан прибор
с однокаскадной термобатареей (рис. XI. 57) из 52 термоэлементов
465
каждый, диаметром 5 мм и длиной 4,5 мм. К горячим спаям вмон-
тирован радиатор, обдуваемый воздухом. Холодопроизводитель-
ность батареи 12 Вт, максимальный рабочий ток 10 А, мощность
25 Вт. Регулировка температуры производится изменением тока
через батарею 119].
Термохолодильник для лечения желудочных болезней. Приме-
няется для лечения гастритного кровотечения и язв. Прибор
содержит полупроводниковую батарею для охлаждения раствора
этилового спирта до температуры —10-5-12 0 С в резервуаре объе-
мом 5 л. Жидкость прокачивают через помещенный в желудке боль-
ного баллон. Термобатарея состоит из пгести термоэлементов раз-
мерами 5 X 10 X 10 мм, охлаждение батареи производится про-
точной водой, холодопроизводитель-
ность при токе 60 А равна 120 Вт.
Холодильник для животноводства.
Разработаны варианты холодильников
для хранения и перевозки спермы при
пониженных температурах. В одном из
Рис. XI.58. Холодильник для животно-
водства:
1 — водяной бак; 2 — резиновое уплотнение;
3 — теплоотвод; 4 — датчик температуры; 5 •—
пенопласт; 6 — с ъемная крышка; 7, 11 — отвер-
стия для залива и слива; 8 — металлический
стакан; 9 — термобатарея; 10 — оребрение [23].
первых вариантов прибора теплоотвод от горячих спаев термоба-
тареи производился естественным теплообменом; объем камеры
80 см3 (для десяти ампул); батарея состояла из 18 термоэлементов
размерами 5 X 5 X .10 мм, ток через батарею8 А, напряжение 1,2 В;
достигалось охлаждение до 2° С при температуре окружающей
среды 20° С. Для работы при повышенных температурах окружаю-
щей среды применен принудительный теплоотвод вентилятором.
Вариант холодильника с объемом рабочей камеры 500 см3 при-
веден на рис. XI.58. Здесь теплоотвод от горячих спаев термобата-
реи осуществляется объемом воды (20 л). Прибор снабжен регулято-
ром температуры. Без смены воды обеспечивается температура от —2
до 3° С в течение 8 ч. Рабочий ток 6 А, напряжение 12 В, размеры
прибора 270 X 430 X 300 мм, масса 25 кг.
Разработан микротермостат «Холод-2» [1] для термостатиро-
вадия биологических объектов при 14° С в условиях транспортиров-
ки. Точность статирования ±0,5 К при колебаниях температуры
в интервале ± 50° С, охлаждениям подвергаются 104 биокапсулы
размерами 10 X 30 X 60,мм. Допускаются вибрационные и удар-
ные нагрузки до 15 g. Отвод тепла от горячих спаев термобатареи
производится жидким теплоносителем с воздушным теплообменни-
ком. Потребляемая мощность 108—112 Вт.
Разработан холодильник, в котором для повышения экономич-
ности охлаждаемый объект помещается в сосуд Дьюара, темпера-
тура объекта снижается до необходимого значения термобатареей,
после чего холодильник от сосуда Дьюара отсоединяется, потреб-
ление электроэнергии прекращается. В приборе использована тер-
466
мобатарея, потребляющая ток 6 А при падении напряжения 1,66 В.
Охлаждение горячих спаев воздушное, принудительное, от венти-
лятора.
Фирмой «Whirepool Corp.» (США) разработан аналогичный
погружной охладитель, снижающий за один час температуру 2 л
жидкости на 20 К. Максимальная холодопроизводительность 46 Вт,
при перепаде температуры на термобатарее около 35 К холодопро-
изводительность 32 Вт. Потребляемая мощность 75 Вт, теплоотвод
от горячих спаев осуществляется проточной водой, размеры 350 X
X 70 X 30 мм. Погружные охладители выпускаются в ГДР: тер-
мобатарея потребляет 100 Вт при токе 20 А, в приборе применена
система автоматики, срабатывающая при перегревах горячих спаев.
Другие типы термоэлектрических холодильников. Для транспор-
тировки молочных проб, биологических растворов, медикамен-
тов фирма «Dr. Neumann, МеВ und Regeltechnik» выпускает холо-
дильник емкостью 23 л. Размеры камеры 400 X 160 X 350 мм.
Температура в холодильнике 8—12° С при температуре окружающе-
го воздуха 20—25° С. Питание от сети постоянного тока 6 и 12 В и от
переменного тока 220 В.	«
Термостат «Градус» предназначен для термостатирования био-
логических объектов при транспортировке и хранении в лабора-
торных условиях. Температура поддерживается двухкаскадной
термобатареей на уровне 2° С с точностью ± 0,5 К при колебаниях
температуры окружающей среды ± 50° С и при вибрациях или удар-
ных нагрузках до 10 g. Отвод тепла воздушный, принудительный
микровентилятором. Потребляемая мощность около 10 Вт [51].
Термоэлектрическое охлаждение применяется и для термоста-
тирования крови во время операций. Термохолодильник монти-
руется в аппарате «сердце —легкие». При операциях на почке сни-
жение ее температуры до 15° С позволяет предотвратить необрати-
мые биохимические процессы при отсутствии кровообращения от
10 мин до 2 ч.
Миниатюрный холодильник для хранения лекарств разработан
фирмой «Sanyo» (Япония).
Полупроводниковый холодильник применяется при операциях
по^удалению воспаленных миндалин. Он выполнен в виде V-образ-
ной пластины, которая плотно облегает охлаждаемые участки мин-
далин с наружной стороны. "Температура статируется на любом
уровне в интервале от —15° С до 50° С [2].
§ 7. Кондиционеры
В полупроводниковых термоэлектрических кондиционерах помимо
охлаждения используются возможности термоэлектрического по-
догрева и обеспечения режима относительно большой холодопроиз-
водительности при малых перепадах температуры [30, 33, 36, 57].
Промышленные кондиционеры. В ГСКБ ТФП в 1966 г.
разработан * кондиционер КПР-5 для стабилизации температуры^
электронной аппаратуры и создания комфорта в кабине тран-
спортной установки. При температуре окружающего воздуха
323 К достигается охлаждение до 308 К при холодопроизводитель-
ности 5800 Вт. Расход кондиционированного воздуха составляет
0,64 м3/^ наружного — 1,8 м3/с. Потребляемая мощность 16 кВт,
467
размеры 0,62 X 0,9 X 1,75 м. Аналогичная установка КР-6 раз-
работана в 1967 г.: при температуре окружающего воздуха 323 К,
охлажденного — 298 К холодопроизводительность составляет 7 кВт,
потребляемая мощность 24 кВт, размеры 2 X 1,5 X 0,7 м. Опыт
эксплуатации термоэлектрических кондиционеров показал их вы-
сокую надежность. Установки типа КР-1, КР-2, КР-3, разработан-
ные ранее (в 1963 —1964 гг.), проработали без отказа в течение
(5,5—18) • 10сс. Интенсивность отказов 0,425 • 10-8 с“х находится
на уровне элементов электронной аппаратуры [10].
Рис. XI.59. Схема полупроводникового кондиционера с водяным теп-
лообменом термобатарей:
1 — термобатарея; 2 —градирня; 3 — насос; 4 — вентилятор [49].
Рис. XI.60. Воздухоохладительный агрегат:
1 — фильтр; 2 — термобатарея; 3 — электродвигатель; 4 — вентилятор; 5 — ко-
жух; 6 —фильтр; 7 — поворотная решетка; 8 — неподвижная решетка; 9 — со-
суд для сбора конденсата [9].
Опытные образцы кондиционеров с воздушным теплообменом
разработаны в .ЭНИН. Приборы эксплуатировались как в лабора-
ториях, так и для кондиционирования помещения гидроэлектро-
станции.
Холодопроизводительность составляет около 700 ккал/ч при
охлаждении воздуха от 35 до 20° С, холодильный коэффициент
около 2,3.
В работе [31] приведены параметры одного из вариантов про-
мышленного кондиционера: холодопроизводительность 1,5 кВт, теп-
ловыделение в режиме нагрева 2,48 кВт, температура охлажденного
воздуха 3° С, производительность по кондиционированному воз-
духу 248 м3/ч.
В кондиционерах, где теплообмен с поверхностью термобата-
рей осуществляется проточной водой (рис. XI.59), может дости-
гаться большая экономия термоэлектрического материала (в 3 —
4 раза) по сравнению с кондиционерами с воздушным теплообме-
ном [49].
Фирмой «Carrier Corp.» разработана система кондиционирова-
ния в конторских помещениях. Использовано 28 агрегатов, рас-
положенных в перекрытии. Холодопроизводительность составляет
1,2 кВт, при обогреве выделяется 1,7 кВт, количество подаваемого
468
воздуха 289 м3/ч, точность поддержания температуры ^0,25 К.
Подтверждены экономическая целесообразность применения полу-
проводниковых кондиционеров, их надежность в работе.
Локальный кондиционер [9] предназначен для использования
в помещениях с повышенной температурой, в которых находится
небольшое количество людей, например у пультов управления,
в хирургических операционных и послеоперационных палатах и др.,
Может применяться в тех случаях, когда общее кондиционирова-
ние приводит к большим затратам. Охлаждение производится
путем обдува охлажденным воздухом. Вариант прибора изготовлен
во ВНИХИ. Кондиционер скомпонован из двух блоков: верхне-
го — воздухоохладительного — и нижнего, где вмонтированы
приборы питания (рис. XI.60). В кондиционере использованы термо-
батареи (32 последовательно соединенных термоэлемента сечением
20хЮ мм2 и высотой 2Ч5 мм), изготовленные из сплавов Z = 1,9 X
X Ю^К”1. Теплоотвод водяной, расход 120 л/ч, количество ох-
лаждаемого воздуха 140 л/ч. Размеры прибора 350X350X1340 мм,
масса 46 кг [9].
Кондиционеры бытового назначения. Первые варианты раз-
работаны в лаборатории полупроводниковых тепловых насосов
(ЛПТН) и изготовлены на заводе «Сантехникам. Предназначены
для круглосуточного кондиционирования воздуха в небольшой жи-
лой комнате. В них применена термобатарея из пяти секций по де-
сять термоэлементов в каждой. Холодопроизводительность одной
секции около 45 Вт. Обдув горячих и холодных спаев производится
двумя независимыми вентиляторами. В режиме нагрева отопитель-
ный коэффициент составляет около 2,5 [23].
Термоэлектрические бытовые кондиционеры обладают сле-
дующими типичными параметрами: холодопроизводительность
1,5 кВт, тепловыделение в режиме нагрева 3,5 кВт, температура
охлажденного воздуха 5—9° С, холодильный коэффициент 1, рас-
ход охлаждающей воды 0,5 м3/ч, производительность по кондици-
онируемому воздуху 750 м3/ч, габаритные размеры 450X450X750 мм.
В' более мощном варианте кондиционера: холодопроизводитель-
ность 3 кВт, тепловыделение в режиме нагрева 5,7,кВт, температура
окружающего воздуха 5—9° С, холодильный коэффициент 0,8, рас-
ход охлаждающей воды 1,1 м3/ч, производительность по кондицио-
нируемому воздуху 1100 м3/ч. Габаритные размеры 500 X500 X
-Х300 мм '131].
В СКВ Института физики АН АзССР разработан локальный
кондиционер для узконаправленного охлаждения, обеспечиваю-
щий понижение температуры потока воздуха на 10—12° С. Выполнен
единым блоком, в верхней части которого расположена термобата-
рея с радиатором холодных и горячих спаев, в нижней — устрой-
ство с элементами управления. Отвод тепла от горячих спаев —
воздушно-испарительный, поэтому часть воздуха не нагревается
а только увлажняется. Потребляемая мощность — 115 Вт [29].
Фирмы «Siemens» и «ASK» разрабатывали климатические
установки для жилых помещений. Аппарат монтируется под окном.
В отопительном режиме на 1 кВт затраченной электрической мощ-
ности в помещение подается 2—3 кВт тепловой мощности. Предус-
мотрено автоматическое переключение режима работы от отопи-
тельного к охладительному и перерегулирование в заданном тем-
пературном интервале/Размеры кондиционера 1000X800X100 мм.
469
Фирмой «Buderussche Eisenwerke Wetzlar» разработан отопи-
тельно-охладительный агрегат холодопроизводительностью 1,9 кВт.
Кондиционер для убежищ и вагонов разработан фирмой «Wes-
tinghouse». Обладает преимуществом перед компрессорными сис-
темами — в кондиционере исключена
возможность утечки токсичных газов
хладоагента. Расчетный срок службы
100 тыс. ч, масса установки 136 кг, габа-
ритные размеры 1000X1000X500 мм.
Другие конструкции. Разрабатыва-
ются и изготовляются термостатирован-
ные костюмы для работ в горячих цехах,
для пожарников, пилотов, космонавтов,
танкистов, для работы под водой. Схема
одного из таких приборов приведена
на рис. XI.61. Охлажденный термоба-
тареей воздух подается в скафандр или
костюм. Обдув -горячих спаев и продув
охлажденного воздуха производятся
вентилятором.
Изготовлены кондиционеры для
охлаждения электронной управляющей
аппаратуры ракет (мощность 175 Вт,
Рис. XI.61. Кондиционер для скафандра:
1 — оребрение для охлаждения горячих спаев
термобатареи; 2 — канал для отвода охлаж-
денного воздуха; 3 — оребрение для охлажде-
ния воздуха; 4 — термобатарея; 5 « вентиля-
тор.
геометрические размеры 584X914X305 мм); охлаждение воздуш-
ное, от 8 высокооборотных вентиляторов 160].
§ 8. Бытовые охлаждающие устройства
Бытовые холодильники — одно из наиболее ранних направлений
практического использования термоэлектрического охлаждения.
Первые варианты бытовых холодильников разработаны в СССР
в начале 50-х годов. Термоэлементы изготовлялись из PbTe и ZnSb,
добротность батарей Z составляла 0,6 • 10~3К-1, перепад
температуры на термоэлементе около 18 К. Низкие показатели были
обусловлены небольшой термоэлектрической добротностью ма-
териала и большими тепловыми потерями. Показатели постепенно
улучшались вместе с ростом добротности материалов и совершенст-
вованием технологии изготовления термобатарей В модели 1952 г.
применены термоэлементы из Bi2Te3, перепад возрос до 30 К, холо-
дильный коэффициент при перепаде 23 К'достиг 0,15. В модели
1953 г. в холодильнике объемом 10 л перепад возрос до 40 К. В сле-
дующей модели 1954 г. использованы сплавы на основе PbTe —
PbSe и Bi2Te3 Sb2Te3. Получены максимальные перепады до 60° G
470
при объеме холодильной камеры 55 л. При потребляемой мощности
40 Вт и окружающей температуре 19° С температура в центре хо-
лодильника достигала 2° С, при 30 Вт —2° С. В 1956 г. после улуч-
шения термоэлектрических материалов для отрицательной ветви
(Bi2Te3 — Bi2Se3) [20, 50] улучшились и показатели опытных мо
делей холодильников. Повышение термоэлектрической добротности
создало благоприятные условия для перехода от водяндго ^охлаж-
дения к воздушному.
Модели на основе холодильника, в которой водяное охлажде-
ние заменено воздушным, была разработана в 1957 г. Была улуч-
шена теплоизоляция холодильника. Объем холодильной камеры
составил 91 л. Камера разделена на два отсека, в верхнем темпера-
тура понижалась до 5—6° С, в нижнем достигала —4 ч-----6° С.
В холодильнике использовано 45
термоэлементов, потребляемая от се-
ти мощность составляла 90 —100 Вт.
В улучшенных моделях 1959 —
1961 гг. типа «Айсберг» уменьшено
количество полупроводникового ма-
териала до 200 г, а также площадь
воздушных радиаторов, увеличен
объем холодильной камеры до 125 л.
Рис. XI.62. Схема бытового холодиль-
ника с водяным теплоотводом и ув-
лажнителем:
1 — вентилятор; 2 — электродвигатель; 3 —
лопасти насоса; 4 — термобатарея.
Несмотря на дальнейшее улучшение конструкции бытовых хо-
лодильников и повышение их холодопроизводительности, они до
настоящего времени не нашли широкого применения из-за более
высокой стоимости и меньшей экономичности по сравнению с ком-
прессорными и применяются только при относительно небольших
объемах холодильных камер.
Изготовлен вариант такого холодильника («Фонтан») с объемом
рабочей камеры 20 л с водяным теплоотводом, в пени которого при-
менен фонтанирующий увлажнитель УВ-1 (рис. XI.62). Исполь-
зована термобатарея из восьми элементов с рабочим током 20 А
и потребляемой мощностью 30 Вт. Дйя ее изготовления расходу-
ется 30 г полупроводникового материала. Бытовой термоэлектри-
ческий холодильник ТЭХ-40 («Чайка») с рабочим объемом 40 л раз-
работан ВНИХИ и заводом «Коммунар» [45]. Термобатарея изго-
товлена из прессованных тройных материалов на основе Bi2Te3
термоэлектрической добротностью Z — 1,9 • Ю^К”1; в батарее
60 термоэлементов высотой 5 мм и сечением 4X4 мм2. Отвод тепла
воздушный принудительный от вентилятора К-95; при температуре
окружающей среды 22° С в камере достигнуто снижение температу-
ры до 5° С. Средняя потребляемая электрическая мощность около
50 Вт, в режиме ^пониженной мощности около 25 Вт.
В США с 1961 г. несколько фирм начали производство термо-
холодильников небольшой емкости (40—-70 л). Фирмой «Wright»
разработан холодильник для гостиниц, кабинетов с морозилкой
471
для приготовления льда; охлаждение горячих спаев воздушное
принудительное от вентилятора.
Одними из первых начали разработку термоэлектрических хо-
лодильников японские фирмы. Домашний холодильник ТР-101
разработан фирмой «Toshiba». Емкость холодильной камеры 96 л,
при температуре окружающего воздуха 30° С камера охлаждается
до 0° С, в морозильнике —20° С. Производительность морозильного
отделения 0,4 л/ч льда, потребляемая холодильником электрическая
мощность 175 Вт. Фирмой «Sanyo» изготовлен холодильник с объе-
мом холодильной камеры 35 л. Потребляемая мощность 160 Вт,
от 30° С через два часа в холодильнике достигается температура
5° С; масса’ прибора 35 кг. Разработан также переносный холо-
дильник емкостью 5,3 л, с наружными размерами 375X298X229 мм,
от 30° С в камере достигается охлаждение 4° С. Бытовые холодиль-
ники типа Т-5 и ТЕК-50 емкостью 50 л и другие разработаны фир-
мой «Toshiba».
Фирмой «Siemens» изготовлен холодильник, у которого наруж-
ный металлический корпус служит для отвода тепла от горячих
спаев термобатареи, внутренний корпус охлаждается на 15° С при
потребляемой батареей мощности 35 Вт.
Льдогенераторы и водоохладители. Льдогенератор настольно-
го типа разработан в ГСКБ ТФП и внедрен на заводе «Биофиз-
прибор». Он изготовлен на основе восьми батарей, в каждой по
19 термоэлементов. Размеры ветвей термоэлементов: сечение
8Х 10 мм2, высота 7,8 мм. При токе 28 А и напряжении 4,5 В за 20—
30 мин можно получить 250 г льда. Теплоотвод от горячих спаев
осуществляется проточной водой (расход 120 л/ч). Для обеспечения
съема льда подается кратковременно (30—40 с) ток обратной поляр-
ности [15].
Для охлаждения жидкости и получения льда предложена ори-
гинальная конструкция, имеющая вид сплюснутых трубок, через
которые прокачивается как охлаждаемая, так и охлаждающая
жидкость. Во избежание замыкания трубки соединены изоляцион-
ными переходами [12]. В батарее 15 термоэлементов с ветвями раз-
мерами 20X20X5 мм и 15 термоэлементов размерами 20Х15х5мм.
Ветви изготовлены из термоэлектрических материалов ТВЭХ-2 и
ТВ-2. Охладитель может быть использован в льдогенераторах не-
прерывного действия. Известны и другие варианты льдогенерато-
ров [16].
Сифон с термоэлектрическим охлаждением представляет собой
бытовой прибор для охлаждения и газирования питьевой воды. Тер-
мобатарея размещена в нижней части сосуда. Отвод тепла воздуш-
но-конвективный. Через 2—3 мин из сифона можно выводить пор-
цию жидкости объемом 75—120 см3, охлажденной до 12—14° С.
Объем сифона 1 л, потребляемая мощность 60 Вт [54].
Фирмой «Norge Div» (США) изготовлены небольшие льдогене-
раторы, производящие 18 кубиков льда за 6 час. Фирма «Alen Elec-
tronics» (США) разработала водоохладители размерами 267 X 127 X
Х356 мм: емкость камеры 1,9 —19 л, потребляемая мощность около
60 Вт. Выпуск 10 тыс. шт. в год.
Льдогенераторы выпущены фирмой «York Division». Предна-
значены для ресторанов, кемпингов, лечебных учреждений. По-
лезная загрузка 12, 3 кг. Могут работать 16—18 ч в сутки, контроль-
ный образец проработал 20 тыс. ч без изменения параметров.
472
Водоохладитель производительностью 3,8 л/ч изготовлен фир-
мой «Sanyo» (Япония).
Охладитель шампанского разработан фирмой «Valvo». В при-
боре использован модуль РТ20/20, ток питания 16 А. От 22° С
достигается охлаждение до 5° С. Охлаждение воздушное, ручкой,
которая одновременно выполняет роль радиатора горячих спаев.
Известны варианты конструкций отечественного производства.
Охладители бутылок. Бутылки помещают в два цилиндри-
ческих алюминиевых сосуда, которые охлаждаются термобатареей.
Потребляемая мощность 35 Вт, снижение температуры сосудов на
25—26° С, за час бутылки охлаждаются па 9 К- Отвод тепла от
горячих спаев осуществляется вентилятором.
Охлаждающие блоки, встроенные в мебель. Блок содержит
алюминиевую камеру размерами 40X35X12 см, изолированную
пенопластом толщиной 5 см и охлаждаемую двумя модулями
РКТ-36. Питание модулей от сети через трансформатор и выпря-
митель с фильтром. Потребляемая мощность 55 Вт. При темпера-
туре окружающей среды 22—24° С температура в камере достигает
6—8° С. Отвод тепла от термобатарей воздушный, естественный.
Блоки .монтируются в настенные шкафы, мебель и др.
Термохолодильники в торговых автоматах. Применены в авто-
матах гостиниц фирмы «Captain International Industries Ltd» и пред-
назначены для охлаждения соков, льда,
те используется генератор льда холодопр
и холодильник. Охлаждение горячих
дительное.
В автоматах для продажи кофе при-
менена термобатарея; тепло, выделяе-
мое на горячих спаях, служит для на-
грева воды при заварке кофе, охлаж-
денный сосуд используется для хране-
ния кофе.
Передвижная продуктовая тележка
содержит две камеры — охлаждаемую и
подогреваемую —емкостью 32 л. Между
камерами вмонтирована термобатарея.
При ее включении в соответствующих
камерах достигается охлаждение до 7° С
и разогрев до 65° С. Питание термоба-
тареи от щелочных аккумуляторов.
Рис. XI.63. Охладитель — подогреватель
детского питания.
воды и др. louj. ь автома-
эизводительностью 83,5 Вт
спаев воздушное, прину-
Охладитель — подогреватель детского питания применяется для
хранения и подогрева молока и питательных смесей для грудных
детей. Внешний вид прибора приведен на рис. XI.63. Бутылка с
жидкостью помещается в сосуд, охлаждаемый термобатареей (50 тер-
моэлементов). Теплоотвод от горячих спаев батареи воздушный,
естественный. От 30° С до 7° С охлаждение производится в течение
30 мин, до 4Q С — в течение 1 ч. При смене направления тока пи-
тания подогрев производится в течение 20 мин. Прибор снабжен
часовым устройством и звуковым сигнализатором готовности пищи.
473
§ 9« Другие термоэлектрические охладители
Влагостатирсвзние музейных экспонатов создается путем охлажде-
ния во влагостатируемом объеме определенного количества воды
до точки росы. Температура воды поддерживается термохолодиль-
ником, мощность которого управляется сигналом датчиков (термис-
торов), регистрирующих температуру окружающей среды и поверх-
ности воды в открытом объеме 159].
Замораживающее устройство типа ТБУ-1 (завод «Биофизприбор»)
предназначено для закрепления деталей при их обработке на стан-
ках методом примораживания. Площадь замораживающей поверх-
ности 140X234 мм2, охлаждение от —5 до —20° С. Время выхода
в режим (замораживание) до 20 мин, оттаивание до 1 мин. Охлаж-
дение термобатареи водяное (расход воды 5,5 л/мин). Электрическая
мощность, потребляемая термобатареей, 405 Вт.
Выпарные установки предназначены для .получения дистилли-
рованной воды. Термоэлектрическая батарея установлена между
испарителем и конденсатором, направление тока через батарею вы-
брано таким, чтобы на испарителе тепло выделялось горячими спаями,
на конденсаторе поглощалось благодаря эффекту Пельтье. Относи-
тельно высокая средняя температура и малый перепад между горя-
чими и холодными спаями позволяют реализовать значительно мень-
шее потребление электроэнергии по сравнению с обычным электро-
обогревом (в 7 — 12 раз) [34].
Термоэлектрические холодильники для лазеров — одна из пер-
спективных областей применения термоэлектрического охлажде-
ния: при охлаждении полупроводниковых лазеров достигается
повышение их КДП. Термоэлементы могут быть включены после-
довательно (рис. XI.64) непосредственно в цепь лазерного диода
Рис. XI.64. Полупроводниковый лазер
с последовательно включенным тер-
моэлектрическим холодильником:
1 — п- и р-ветви лазерного диода; 2 — п- и
Р-ветви термоэлектрического холодильника;
3 — световод; 4 — теплоотвод; 5 — элект-
рическая изоляция [46].
(арсенид галлия). При работе в импульсном режиме мощность ла-
зера возрастает. Например, йри токе 100 А выходная мощность
лазера удваивается.
Разработаны конструкции холодильников с матрицей лазер-
ных диодов. В устройстве применены двухкаскадные холодильни-
ки и принудительное воздушное охлаждение горячих спаев батареи.
Температура охлаждения 2J5O К, оптимальный ток питания 2,6 А,
потребляемая мощность 66 Вт. При изменении температуры пред-
ставляется возможным в небольших пределах изменять длину вол-
ны лазера.
Работы по созданию и применению лазеров с термохолодиль-
никами интенсивно развиваются.
Вариант термоэлектрического микротермостата для излуча-
телей разработан в ОТИХП [41]. Им достигается термостатирование
474
на уровне 273—323 К с точностью rt 1 К при изменении темпера-
туры окружающей среды от 223 до 323 К. Однокаскадная термо-
батарея потребляет мощность около 0,1 Вт при токе 1,2 А.
Кроме рассмотренных вариантов применения охлаждающих
и термостабилизирующих устройств, термоэлектрические холодиль-
ники используются также в передвижных барах, кондиционерах,
выполненных совместно с панелью люминесцентного освещения;
для охлаждения печатных вальцов, массы в кондитерской промыш-
ленности, резцов и фрез; отвода тепла для повышения точности пре-
цизионных машин, охлаждения при производстве и нагреве сма-
зочных масел для точных механизмов, контроля при изготовлении
фотобумаги, в установках для получения кремния.
ЛИТЕРАТУРА
L. Абдуллаев Г. Б., Кулиев А. 3., Г ряд у но в А. И. и др Транспортный термо-
электрический микротермостат «Холод-2»: Проспект.— Баку, 1967.—2 с. —
(СКБ Ин-та физики АН АзССР).
2.	Абдуллаев Г. Б., Кулиев А. 3., Надир-заде С. М., Алескеров Ф. К. Полу
проводниковый криотонзиллэктом: Проспект.— Баку, 1967.—2 с. — (СКГ
Ин-та физики АН АзССР).
3.	Абдуллаев Г Б., Кулиев А 3.,- Надир-заде С. М., Тарвердиев Я. Г. Полу-
проводниковый гипер-гипотерм для пластической хирургии: Проспект.— Ба
ку, 1967.—2 с.— (СКВ Ин-та физики АН АзССР).
4.	Абдуллаев Г. Б., Кулиев А. 3., Надир-заде С. М. Медицинский аппарат
«Гипэтерм-2»: Проспект.— Баку, 1968 —2 с. — (СКВ Ин-та физики АН АзССР).
5.	Абдуллаев Г. Б., Кулиев A, 3.t Надир-заде С. М др.*Медицинский охла-
ждающий аппарат «Гипотерм»: Проспект.—Баку, 1968.— 2 с.— (СКВ Ин-та
физики АН АзССР).
6.	Алексеев -А. М., Вахонина А. Л., Стафеев К. П., Хорунжин Ю. П. Семи-
каскадный термоэлектрический охладитель — Холодил, техника, 1977, № 8,
с. 20—23
7.	Анатичук Л. 1. Про перспективи розвитку термоелектрики.— BicH. АН
УРСР, 1975, № 9, с. 30—44.
8.	Банага М П., Баранов С. И., Буймистр Б. С. и др. Полупроводниковые
термоэлектрические холодильники —Электрон обраб материалов, 1974.
№ 5, с 79—83.
9.	Барулин Н Я , Иоффе Д. М., Коробанов С. В., Орлов В С. Термоэлек-
трический локальный кондиционер.—Холодил техника, 1968,	№	10.
с. 16—19
10.	Бялельдинов М. Ф., Хорунжин Ю. И., Дитячгьев М. Б. Полупроводни-
ковые термоэлектрические кондиционеры и охладители.— ХТТ, 1970, № 9.
с 6-8.
И. Вайгачев А А., Кохов Е. Д., Мамиконян С. В. и др Рентгенорадиометри-
ческий датчик с кремниевым полупроводниковым детектором, охлаждаемым
термоэлектрическим холодильником. — Радиац техника, 1975,	№ И,
с. 306—309
12.	Вайнер Л А Термоэлектрический охладитель жидкости в потоке.— Холо-
дил техника, 1966, № 1, с. 15—16.
13.	Вайнер А. Л Каскадные термоэлектрические источники холода.-* М.: Сов
радио, 1976.—137 с.
14.	Вайнер А. Л., Прошкин Н. Н., Андрущенко С. В. Унифицированные термо-
электрические микроэхладители.— В эпр радиээлектрон. Сер. ТРТО, 1976,
вып. 3, с. 75г—82.
15.	Веселова Е. П., Карпов В. Г., Тайц Д. 4. Настольный термоэлектрический
льдогенератор.—Холодил, техника, 1969, № 8, с. 23—24.
16.	Гарачук В. К-, Лавренченко Г К- Термоэлектрический холодильник дл>
фотоумножителя.— ХТТ, 1967, № 4, с 102—105
17.	Джагаров Ю А. Оптико-электронная компен анионная схема для терм<
электрических психрометров.— Измер. техника/ 1974, № 11, с. 75—76.
18.	Ильярский О. И., Удалов Н П. Термоэлектрические элементы.— М.: Энер
гия, 1970.— 72 с.
19.	Иосифеску К- Применение полупроводниковых приборов охлаждения в меди
цине.—ХТТ, 1968, № 6, с. 22—27.
20.	Иоффе А. Ф. Полупроводниковые термоэлементы. — М.; Л.: Изд-во АР
.., СССР, I960.—188 с.
475
21.	Иоффе Д. М. Термоэлектрические кондиционеры, воздухоохладители и бы-
товые холодильники.—Холодил, техника, 1965, № 6, с. 62—66.
22.	Карпов В. Г., Чернявский В. В., Тайц Д. А. Использование термоэлектри-
’ четких полупроводниковых кондиционеров на транспорте.— В кн.: Энерго-
снабжение и кондиционирование воздуха на транспорте: Материалы конф.
Рига, 1965, с. 65—79.
23.	Колрнко Е. А. Термоэлектрические охлаждающие приборы.— Л.: Наука,
1967.—283 с.
24.	Корзюк Т. Г., Овечкин В. В., Паншин А. 3. и др* Применение термоэлек-
трического микрохолодильника для охлаждения гамма-спектрометрических
Si (Li) детекторов.— Прикл. ядер, спектроскопия, 1970, вып. 1, с. 223—231.
25.	Корзюк Т. Г., Смирнов А. Н., Таубер А. Г. Термоэлектрические холодиль-
ники фотокатодов.—Холодил, техника, 1970, № 9, с. 15—17.
26.	Кулиев А. 3. Полупроводниковый термоэлектрический криостат. — Измер
техника, 1967, № 12, с. 90—91.	•
27.	Лабораторная испытательная термокамера «Союг»: Проспект.— Баку, 1972-
—2 с.— (СКВ Ин-та физики АН АзССР).
28.	Лидоренко Н. С., Белявцев А. Т., Лебедев В. Ф. и др. А. с. 344514,
(СССР). Термоэлектрический осушитель воздуха.— Опубл. 20.07.72.
29.	Локальный термоэлектрический кондиционер: Проспект.— Баку, 1976.—
2 с. — (СКБ Ин-та физики АН АзССР).
30.	Лукомский С. М. Термоэлектрические полупроводниковые отопительно-
охладительные вентиляционные тепловые насосы.— Гелиотехника, 1969, № 5,
с. 47—50.
31.	Малые холодильные установки и холодильный транспорт.— М.: Пищ. пром.,
1978.—238 с.
- 32. Мартыновский В. С., Наер В. А. Опытное исследование полупроводнико-
вого водоохладителя.— Холодил, техника, 1960, № 4, с. 13—16.
33.	Мартыновский В. С., Наер В. А., Шаленый Э. Г. Полупроводниковые тер-
моэлектрические батареи для круглогодичного кондиционирования воз-
духа.— ХТТ, 1966, № 3, с. 3—11.
34.	Наер В. А. Экспериментальное исследование термоэлектрической выпарной
установки.— ФТТ, 1959, 1, № 8, с. 1193—1197.
35.	Наер В. А., Роженцева С. А. Полупроводниковый охладитель -жидкости.—
Холодил, техника, 1963, № 1, с. 20—23.
36.	Наер В. А., Шаленый Э~ Г. Полупроводниковый кондиционер.— Холодил,
техника, 1963, № 4, с. 21—24.
37.	Наер В. А., Гарачук В. К. Исследование полупроводниковых охладителей
транзисторов.— ХТТ, 1965, № 1, с. 3—8.
38.	Наер В. А., Лавренченко Г. К., Гарачук В. K.f Хирич И. Я. Термоэлектри-
ческие модули для охлаждения диодов.— ХТТ, 1968, № 7, с. 63—66.
39.	Наер В. А., Гарачук В. К., Вигман Б. А., Палем А. В. Полупроводнико-
вый охладитель для диафрагм.—ХТТ, 1971, № 12, с. 58—61.
40.	Наер В. А., Хирич И. Я-, Кабанов А. В., Ларин ~В. В. Термоэлектриче-
ский аппарат для криохирургии и криотерапии.— ХТТ, 1971, № 11, с.
78—80.
41.	Наер В. А., Таран В. H.f Хирич И. Я , Антонов П. П. Термоэлектриче-
ский микротермостат для излучателей.— ПТЭ, 1977, № 2, с. 254.
42.	Николаев Ю. Д., Петель В. И. Применение локальных термоэлектрических
воздухоохладителей на автомобилях и тракторах.— В кн.: Энергоснабже-
ние и кондиционирование воздуха на транспорте: Материалы конф. Рига,
1965, с. 161—170.
43.	/7/м1-термостат НТ-30.— [Б.м.; Б.г.] —2 с. —Информ, листок.
44.	Орлов В. С. Новые виды термоэлектрических холодильных устройств.— Хо-
лодил. техника, 1970, № 5, с. 52—54.
45.	Орлов В. С., Иоффе Д. М., Ломакин В. Н. и др. Бытовой термоэлектриче-
ский холодильник.— Холодил, техника, 1970, № 1, с. 11—15.
46.	Осипов Э. В., Борисенко В. Д. Твердотельные криогенные охладители?—
Зарубеж. электрон, техника, 1975, вып. 7, с. 3—80.
47.	Осипов Э. В. Твердотельная криогеника.—Киев: Наук, думка, 1977.—234 с.
48.	Полупроводниковый авто-гипотерм: Проспект.— Баку* [Б.г.] — 2 с.— (СКБ
Ин-та физики АН АзССР).
49.	Роженцева С. А. Полупроводниковый водоохладитель для кондициониро-
вания воздуха.—ХТТ, 1967, № 5, с. 68—71.
50.	Соминский М. С. Полупроводники.— Л.: Наука, 1967.—440 с.
51.	Термостат «Градус»: Проспект.— Баку, 1973.— 2 с.— (СКБ Ин-та физики
АН АзССР).
52.	Термоэлектрический стабилизатор температуры пробирок ТСП.— Л., 1977.—
2 с. -е® (Информ. листок/ЦНИИТЭИ приборостроения. Сер. 13—05; №56—
476
53.	Термоэлектрический охладитель фотокатодов ФЭУ: Проспект.— Баху,
1973.—3 с.— (СКВ Ин-та физики АН АзССР).
54.	Термоэлектрический сифон: Проспект.—Баку. 1976.—2 с.«— (СКВ Ин-та фи-
зики АН АзССР).
55	Фототерм-2\ Проспект.— Баку, 1976.—2 с.— (СКВ Ин-та физики АН АзССР).
56.	Фототерм-3'. Проспект.— Баку, 1976.—3 с.— (СКБ Ин-та физики АН АзССР).
57.	Цветков Ю. И. Термоэлектрическая батарея для кондиционирования воз-
духа.—Холодил. техника, 1966, № 12, с. 15—17.
58.	Цветков Ю. И. Термоэлектрический судовой холодильный шкаф.— Холо-
дил. техника, 1967, № 6, с. 28—30.
59.	Щербина А. Г., Покорный Е. Г., Садиков А. П., Зорин И. В. Применение
термоохладителей для влагостатирования музейных экспонатов.— ХТТ,
1970, № 9, с. 12—14.
60.	#хац М. С., Орлов В. С., Коломоец Н. В. и др. Термоэлектрические охлаж-
дающие приборы за рубежом.— М., 1971.—48 с.— (Информэлектро).
61.	Brown R. V. Progress in thermoelectric cooling devices.—Mod. Refrig, and
Air Condit., 1961, 64, N 758, p. 470-472.
62.	Electronic refrigeration.— Trade and Ind. Jap., 1967, 16, N 3, p. 63—64.
63.	Green W. B. Thermoelectricity.—Ind. Res., 1961, 3, N 4, p. 28—34.
64.	Harriss T. W. A commercial application for thermoelectrics.— Mod. Refrig,
and Air Condit., 1968, N 8, p. 75—76.
65.	Hopp H. Neue Kiihltechnik durch Peltier Batterien.— Elec.-Techn., 1965.
47, biz. 129—132.
66.	Industrial review machinery materials equipment.—Mod. Refrig, and Air Con-
dit., 1968, N 6, p. 58-62.
67.	Lackey R. S., Meess I. D., Somers E. V. Applications of thermoelectric
cooling and heating.—Refrig. Eng., 1958, 66, N 12, p. 31—36.
68.	Sheard A. R. Thermoelectricity and thermoelectric applications.— Industr.
Electron., 1966, 4, N 3, p. 105—111.
69.	The cambion thermoelectric handbook.— Cambridge, Mass., 1973.—256 p.
70.	Von Herausgeber. Thermoelektrische Kuhlung.— Kaltetechnik, 1962, 14, N 3,
S. 65.
71.	Wolfe R. The physics of thermoelectricity.—Semicond. Prod., 1963, 6, N 4.
p. 23—28.
Глава XII. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
В электроизмерительной и вычислительной -технике, в метро-
логии [69, 71, 841 термоэлектрическими преобразователями при-
нято называть устройства (рис. XII. 1), содержащие две основные
части — электрический нагреватель (иногда несколько нагрева-
телей) и термоэлемент (чаще всего термопару или батарею термопар).
Связь между током /, подводимым к нагревателю, и ЭДС, развива-
емой термоэлементом, приближенно определяется выражением
Е = Кпр/2,	(ХИЛ)
где Кпр — коэффициент, зависящий от материала нагревателя и
термоэлемента, конструкции термопреобразователя и условий его
работы.
Рис. XI 1.1. Простейшая схема термопреобразователя:
I« нагреватель; 2	термоэлемент.
Рис. XII.2. Контактные (а) и бесконтактные (б) термо-
преобразователи:
1 — входная цепь "нагревателя; 2 — выходная цепь нагревателя;
3 — электрический изолятор.
Нагреватель является входной цепью преобразователя, термо-
элемент — выходной.
Из выражения (XII. 1) следует основная особенность термо-
преобразователя — независимость ЭДС на его выходе от направле-
ния тока через входную цепь; это позволяет использовать преобра-
зователь для измерения действующих значений переменного на-
пряжения, тока, мощности и др.
По способу взаимосвязи входных и выходных цепей преобра-
зователи разделяют на контактные и бесконтактные (рис. XIL.2).
478
В контактных преобразователях нагреватель и термопара находятся
в электрическом и тепловом контакте,- в бесконтактных электричес-
кая связь между нагревателем и термоэлементом отсутствует, а
тепловой контакт осуществляется через электроизолятор из ма-
териала, обладающего по возможности хорошей теплопроводностью.
По конструкции термопреобразователи разделяют на воз-
душные, вакуумные и газонаполненные. В первом случае нагрева-
тель и термоэлемент находятся
в среде окружающего воздуха,
во втором помещаются в стек-
лянный или металлический
Рис. XII.3. Схемы воздушного
(а), вакуумного или газонапол-
ненного' (б) одноэлементных и
многоэлементных (в) термопре-
образователей:
/ — нагреватель^ 2 — термопара
(термобатарея); 3 — термостат.
баллон, откуда воздух эвакуирован, в третьем используются гер-
метичные камеры, наполненные газом, чаще всего инертным, опре-
деленного давления. Преобразователи разделяют также на одно-
элементные , содержащие одну термопару, и многоэлементные,
где использованы батареи термопар (рис. ХП.З).
Рис. XII.4. Термопреобразователь с непосредственным подо-
гревом: '
1, 2 — ветви термопары [77].
Рис. XII.5. Вакуумный преобразователь типа «термокрест»:
1,2 — проводники из различных материалов; 3 — цепь нагревателя; 4 —•
цепь термопары.
Существуют термопреобразователи [77], у которых нагреватель
и термопара совмещены; их называют преобразователями с непосред-
ственным подогревом (рис. XII.4).>В таких преобразователях пе-
ременный ток протекает через термопару, разогревая ее ветви и
спай; постоянная составляющая напряжения термопары регистри-
руется на холодных ее концах измерительным прибором постоян-
ного тока. Для уменьшения влияния переменной составляющей
тока в цепь измерительного прибор.а последовательно включена
индуктивность.
47$
В контактных преобразователях типа «термокрест» (рис. XII.5)
два проводника из материалов с различной термоЭДС соединены
серединами; через одну из образовавшихся пар пропускают элек-
трический ток, второй парой регистрируется нагрев. Преобразо-
Рис. XI 1.6. Мостовая схема контактного термопреобразователя:
1,2 — ветви термопар; 3, 5 — вход; 4, 6 — выход преобразователя.
Рис. XII.7. Схема контактного многоэлементного преобразо-
вателя:
1 — согласующее сопротивление; 2 — измерительный прибор; 3 — термо-
пара; 4 — разделительный конденсатор; 5 — нагреватель.
ватели типа «термокрест» с непосредственным подогревом имеют
существенный недостаток: их нельзя градуировать постоянным то-
ком из-за искажающего действия эффекта Пельтье на спае. По
этой причине такие преобразователи не используются при точных
Рис. XI 1.8. Многоэлементный преобразователь с трансформа-
тором:
1 — термопара; 2 — нагреватели [58].
Рис XI 1.9. Многоэлементный преобразователь (нагреватель
совмещен с термопарами); влияние эффекта Пельтье на посто-
янном токе исключается мостовой схемой:
1,2 — ветви термопар; 3 — термостат [77].
измерениях. Уменьшение влияния эффекта Пельтье достигается
применением мостовой схемы (рис. XII.6).
Многоэлементные термопреобразователи, как правило, бес-
контактные. Могут быть применены преобразователи с электри-
ческим контактом между нагревателем и термопарой, если исполь-
480
зовать нагреватели для каждого из спаев, включенные последова-
тельно через конденсаторы (рис. XII.7) или трансформатор, как
показано на рис. XII.8. Для уменьшения влияния эффекта Пельтье
многоэлементныё преобразователи совмещенного типа включены
в мостовые схемы (рис. XII.9).
Преобразователи с двумя нагревателями, вмонтированными на
противоположных спаях термопар, называют дифференциальны-
ми. Такими преобразователями осуществляется одновременное сра-
внение действующего значения переменного тока с равным значени-
ем постоянного (рис. XII. 10). Преобразователи с двумя или боль-
шим количеством нагревателей (рис. XII. 11) используются в счет-
но-решающей технике или при измерениях методом равных темпе-
ратур [691.
Рис. XII. 10. Схема дифференциального термопреобразователя:
3 — нагреватели; 2 — дифференциальная термобатарея.
Рис. XIL11. Схема бесконтактного термопреобразователя с не-
сколькими нагревателями:
/, 2 — ветви термопары; 3, 4, 5 — йагреватели.
В зависимости от материала термоэлементов преобразователи
разделяют на металлические и полупроводниковые.
В качестве элемента, чувствительного к перепаду температуры,
в преобразователях кроме термопар могут быть использованы и дру-
гие термоэлементы. На рис. XII. 12, например, приведена схема
преобразователя с анизотропным термоэлементом [611.
Наиболее простое использование термопреобразователей реали-
зуется в показывающих приборах переменного тока: нагреватель
подключается в цепь переменного тока, термопара присоединя-
ется . к стрелочному прибору магнитоэлектрической системы
Из (XII. 1) следует, что шкала прибора должна быть квадратич-
ной. В действительности квадратичность сохраняется только в на-
чале шкалы — по мере нарастания тока через нагреватель возрас-
тает и искажающее влияние различных факторов (потерь тепла на
излучение, изменения теплообмена, температурных зависимостей
свойств материалов и др.), приводящее к изменению коэффициен-
та ^пр» т- е* ^пр = ^пр
Иногда для обеспечения линейной связи между измеряемым
током и показаниями используют стрелочный прибор с чувствитель-
ностью, убывающей к концу шкалы также по квадратичному за-
кону:
nz=Ki Vh
(XII.2)
461
16 Н13
где п — деления прибора, 7 — ток в цепи термоэлемента, — коэф-
фициент. Такая зависимость в измерителе магнитоэлектрической
системы достигается применением полюсных наконечников спе-
циальной формы или использованием измерительного механизма
с внутрирамочным магнитом.
Рис. XII. 12. Схема дифференциального термопреобразователя с ан-
изотропным термоэлементом:
7, 5 — нагреватели; 2, 3 —- электрическая изоляция; 4 — анизотропный термо-
элемент.
Рис. XII. 13. Принципиальная схема простейшего измерительного при-
бора (вольтметра) переменного тока с термопреобразователем;
согласующие сопротивления.
Рис. XII.14. Схема преобразователя типа «термокрест» с до-
полнительным нагревателем:
7, 2 — клеммы дополнительного нагревателя; 3, 4 — клеммы основного
нагревателя [85].
Рис. XII. 15. Выравнивание квадратичной зависимости (7) тер-
мопреобразователя методом дополнительного отвода тепла из-
лучением (2). (70ПТ, /опт — оптимальные напряжение и ток
[57].
Для достижения большей равномерности шкалы предлагается
также использовать дополнительный нагреватель [54, 85, 118], ко-
торым производится предварительный разогрев термопары (рис.
XII. 14). Таким способом достигается перевод преобразователя
в режим,, где вольт-амперная характеристика ближе к линейной.
Для этой же цели предлагается [57] чернить область контакта с на-
482
гревателем. При чернении возрастает роль потерь тепла 1ГИ на
излучение:
(XIL3)
(Ti — температура спая, То — температура окружающей среды),
что должно приближать квадратичную зависимость преобразова-
теля к линейной (рис. XII. 15).'
Преобразователи со стрелочными приборами не обладают вы-
сокой чувствительностью и точностью. Для повышения чувстви-
тельности вместо стрелочных приборов применяются приборы с оп-
тическим отсчетом или фотоусилителем. Повышение точности до-
Рис. XII. 16. Принципиальная схема устройства для разновременного
компарирования термоэлектрическим преобразователем:
1 —потенциометр для измерения ЭДС термоэлемента; 2 — источник измеряемого
переменного тока; 3—источник известного постоянного тока.
Рис. XII.17. Принципиальная схема устройства для одновременного
компарирования термоэлектрическим преобразователем:
1 — индикатор нуля ЭДС термоэлементов; 2 — источник известного постоянно-
го тока; 3 — источник измеряемого переменного тока.’
стигается и компарированием: цепь нагревателя вначале присоеди-
няется к источнику переменного тока (рис. XII. 16), ЭДС, разви-
ваемая термоэлементом, фиксируется компенсационным методом,
затем нагреватель присоединяется к источнику постоянного тока,
значение которого может измеряться в необходимых пределах и
с требуемой точностью. При ЭДС, развиваемой термоэлементом на
постоянном токе, равной ЭДС на переменном токе, действующие
значения постоянного и переменного токов равны.
При наличии двух идентичных преобразователей осуществля-
ется одновременное компарирование (рис. XII.17). Термоэлементы
преобразователей включены последовательно, так что при равных
токах через нагреватели их ЭДС взаимно, компенсируются. Регист-
рация компенсации производится .индикатором нуля. Сопротивле-
ниями в цепях нагревателей достигается необходимое согласование
с внешними цепями для измерения напряжений или токов.
Принципиальная схема компаратора мощности приведена на
рис. XII. 18. Она содержит одинарный мост с двумя идентичными
преобразователями и безреактивными сопротивлениями. К верши-
нам одной диагонали моста подведен ток /, к вершинам другой —
напряжение U. В мост включены нагреватели преобразователей,
16*	483
их термопары соединены навстречу друг другу. При включении
моста в цепь постоянного тока результирующая ЭДС преобразо-
вателей пропорциональна произведению 6^==/=,=, а при включении
в цепь переменного тока — UMIм cos <р, где <р — сдвиг фаз’ между
током и напряжением.
В вычислительной технике термоэлектрические преобразова-
тели применяются для гальванической развязки, для выполнения
математических операций/ во вспомогательных цепях. Например,
на рис. XII. 19 приведена схема множительного устройства, со-
Рис. XII. 18. Принципиальная схема компарирова-
ния мощности при раздельном питании цепей то-
ка и напряжения [71].
стоящая из сумматора на сопротивлениях и квадраторов на термо-
преобразователях [66, 69]. Разность термоЭДС преобразователей
Ег и Е2 пропорциональна произведению напряжений UxUy. Схема
множительно-делительного устройства с термопреобразователями
и резистивным электротеплопреобразователем приведена на рис. XII.
20. Соответствующим выбором элементов схемы достигается зави-
симость
fc[Zit/2= U3U±.	(XII.4)
Для работы схемы( необходимо использовать идентичные термо-
преобразователи. Схема производит операции умножения и деления
напряжений, не имеющих гальванической связи. Напряжения мо-
гут быть как постоянными, так и переменными; частота любого из
напряжений ограничивается точностью преобразователей и иска-
жениями схемы и может изменяться от нескольких герц до несколь-
ких мегагерц. На основё термопреобразователей разработаны диф-
ференцирующие, интегрирующие и другие устройства для вычис-
лительной техники [69].
484
Наиболее широко употребляемыми параметрами преобразова-
телей являются:
номинальный^пгок через нагреватель^ А, мА;
термоЭДС при номинальном токе, мВ;
электрическое сопротивление нагревателя, Ом;
электрическое сопротивление термопары, Ом;
перегрузочная способность — допустимая кратковременная пе-
регрузка тока выше номинального, %;
емкость между нагревателем и термопарой или термобатаре-
ей, пФ;
сопротивление изоляции между нагревателем и термопарой, Ом;

Рис. ХП.19. Схема множительного устройства с квад-
раторами на термодреобразователях [69].
Рис. XII.20. Схема множительно-делительного устрой-
ства с уравновешенными термопреобразователями [69].
чувствительность, характеризующая крутизну вольт-амперной
характеристики, мВ/мА;
инерционность, характеризуемая или постоянной времени,
или временем выхода в стационарный режим с заданной степенью
точности, с.
Кроме перечисленных параметров преобразователи харак-
теризуются погрешностями, которыми определяется точность при
использовании в измерительных приборах. При описании преобра-
зователей наиболее широко используются следующие погрешности:
температурная, характеризующая изменение параметра преоб-
разователя при изменении его температуры на 1 или 10° С;
нестабильность во времени — уход параметра за определенное
время работы:
частотная погрешность в основном диапазоне частот, %;
частотная погрешность в расширенном диапазоне частот, %;
отклонение от квадратичности преобразования — измене-
ние коэффициента Кпр или показателя степени в формуле XI 1.1
в Динамическом диапазоне токов;
разнополярность — изменение в показаниях термоЭДС при
изменении направления тока через нагреватель, %.
485
§ 1.	Одноэлементные воздушные
термопреобразователи
Эти термопреобразователи предназначены для измерения перемен-
ных электрической мощности и тока относительно больших зна-
чений (свыше 0,2 — 0,5 А).,
1.	Распределение температуры
в воздушном термопреобразователе
Для расчета параметров преобразователей необходимо знать рас-
пределение температуры в нагревателе (рис. XII.21). В стационар-
ных условиях изменение темпера-
туры вдоль нагревателя находится
из условия баланса теплот, где уч-
тены эффект Джоуля, теплопровод-
ность нагревателя, теплообмен с ок-
ружающей средой и потери тепла на
Рис. XII.21. Модель для расчета и
результаты расчета распределения
температуры в нагревателе.
излучение. В одномерном приближении [77] распределение темпе-
ратуры определяется^ из уравнения
— еисгБ (Т4 — Т*) nd = 0,	(XII .5)
где р — удельное сопротивление материала нагревателя при темпе-
ратуре То, «Q — температурный коэффициент электрического со-
противления материала нагревателя, d — диаметр нагревателя, $ —
поперечное сечение нагревателя, х— коэффициент теплопровод-
ности материала нагревателя, а' — коэффициент теплообмена с ок-
ружающей средой, сГБ— постоянная Стефана—Больцмана, То—
температура концов нагревателя, равная температуре окружающей
среды. Теплоты Педьтье и Томсона по сравнению с другими малы
и при расчетах в большинстве случаев не учитываются. В зависимос-
ти от конструкций преобразователей для решения уравнения
(XII.5) используют различные упрощающие допущения.
В достаточно коротких нагревателях с большим поперечным
сечением основной тепловой поток протекает по нагревателю к хо-
лодным его концам, поэтому конвективным теплообменом и вли-
янием излучения здесь можно пренебречь. Распределение темпера-
туры вдоль нагревателя в этом случае при небольших Т — То (из-
менением сопротивления нагревателя можно пренебречь) нахо-
дится из уравнения
«Я-+—=о (xiL6)
*	dx2 1 s
486
с граничными условиями первого рода
Т к=±/ ~
Решение имеет вид
т _ То=Сй 2 (/?-/:),
(XII.7)
(XIL8)
где Со — постоянная, Т — температура нагревателя в точке Zx, от-
стоящей на расстоянии х от середины нагревателя, 2Z — длина термо-
элемента (см. рис. XII.21). Максимальная температура в центре'
нагревателя
(T-T0)MaKC = t/?/8xp,	(XII.9)
где U — разность потенциалов на концах нагревателя при проте-
кании тока /.
Учет теплообмена с окружающей средой и потери тепла на из-
лучение, если представить их зависимостью, пропорциональной
разности первых степеней температуры [77], дает следующее ре-
шение уравнения (XII.5):
Т —Т
р/1 2 *
Pns I а' + еаБх
Р«0Г/2\
SPn )
ch Nalx\
chNalT
(XII.10)
максимальная температура в центре нагревателя
/у __у )	— _________________________ I ,	1	\
( °'макс / •	ра0Г/2\\ ~ch2va4’
sPn ^a' + eaox —
XS
где Pn — периметр сечения нагревателя, 8И — коэффициент'излу-
чения поверхности нагревателя.
В уравнении (XII.5) не учтены потери тепла, отводимого термо-
парой, поэтому при расчетах преобразователей производят допол-
нительную корректировку. Для случая, когда сечение обеих ветвей
термопары, длины и теплопроводности одинаковы, выражение для
температуры спая имеет вид [77]
(Т____Т \_________________L-_________ I 1 __
07макс Pns (а'+ 8иобх) ( chMz
1 ~~th jVT <а'* + £* а*х*)	s*/(a° + 8иах)р«5
(XII.12)
Звездочками у коэффициентов выделяются свойства материалов
одной из ветвей термопары. Из (XII.5) — (XII.8) при известных
487
своиствахматериалов нагревателя и термопары, заданном номиналь-
ном т^ке и термоЭДС определяются геометрические размеры нагре-
вателя и термопары, удовлетворяющие параметрам преобразова-
теля.
2.	Конструкции воздушных преобразователей
Типичная конструкция воздушного термопреобразователя приве-
дена на рис. XII. 22. Он состоит из нагревателя, установленного
Рис. XII.22. Типичная конструкция воздушного термопреобразова-
теля:
1 — трубчатый нагреватель; 2 горячий спай термопары; 3 — колодка; 4— спай
компенсационной термопары.
Рис. XII.23. Способ компенсации изменения температуры токопод-
водящих колодок путем приведения в тепловой контакт с колодками
свободных концов термопары:
/, 2 — токоподводящие колодки; 3 — нагреватель; 4 — термопара; 5 — метал-
лические ленты; 6 — электрическая изоляция [98].
на двух токоподводах (колодках), и дифференциальной термопары
для компенсации изменения температуры окружающей среды и
разогрева токоподводящих колодок нагревателя. Используется и
иной способ компенсации — разогревом свободных концов термо-
пары до температуры обеих
колодок (рис. XII.23), од-
нако он менее точен и со-
здает дополнительные элек-
трические емкости в цепи
Рис. XII.24. Внешний вид
воздушного термопреобразо-
вателя Т-110.-'
нагревателя, ухудшающие частотные характеристики преобразова-
теля* Компенсация указанными способами достигается, если суще-
ствует линейная зависимость между термоЭДС и перепадом темпе-
ратуры в термопаре, т. е. дифференциальная термоЭДС не зави-
сит от температуры. Перегрев колодок уменьшается при использо-
вании. воздушных радиаторов, а для преобразователей большого
тока (до 200 А) — применением водяного охлаждения [481. Внеш-
488
ний вид одного из воздушных термопреобразователей представлен
на рис. XII.24.
Для уменьшения погрешностей на повышенных частотах, вы-
званных влиянием скин-эффекта, используются трубчатые нагре-
ватели. Они изготовляются диаметром 0,25—6 мм при толщине
стенки несколько десятков микрометров. Иногда в качестве ма-
териала нагревателей (например, в приборе Т-180) используется
золото-палладиевый сплав. Для Монтажа спая термопары к нагре-
вателю приваривается золото-палладиевый лепесток. Пайка нагре-
вателя к вкладышам производится серебряно-кадмиевым припоем
(50% серебра, 40% латуни, 10% кадмия). Термопары изготовлены
сваркой из проволоки золото—палладий и платина—иридий диа-
метром 0,06 мм. Бесконтактное соединение термопары с нагрева-
телем производится бессвинцовой стеклоэмалью с присадкой кад-
мия при температуре плавления около 700—800° С.
3.	Свойства воздушных термопреобразователей
Сведения о воздушных термопреобразователях отечественного про-
изводства и некоторых зарубежных фирм приведены в табл. XII. 1.
Таблица XII.1
Технические характеристики воздушных термопреобразователей [5-/]
Тип преобразова- теля или фирма	Номинальный ток, А	Номиналь- ная термо- ЭДС, мВ	Пере- грузоч- ная спо- собность, %	Вид нагрева- теля	Способ• соедине- ния на- гревателя с термо- парой
Т1	0,5—10	—	120	Ленточный	Кон-
Т2	15-50 -			120	»	тактный То же
Т101	1,2,5, 10,	9,5 ±1,5	150	Трубка	Бескон-
Т109	20, 50 0,5—2,5	8	120	Цилиндри-	тактный То же
Т110	5—25	8	120	ческий Трубка	» »
Till	50	8	120	»	- » »
Т104	0,25—1	8	150—200	Цилиндри-	Кон-
«Siemens»	0,25—1	10	150	ческий То же	тактный То же
«Hartman und	0,2—50	12	150	» »	» »
Braun»					
LIM («Керстен	0,5-10	12	150	» »	» »
и Блок»)					
(«Weston» США)	До 50	—	150	Трубка	» »
Преобразователи обычно используются в приборах не очень высокого
ласса точности (1,5 — 2,5), поэтому ряд свойственных преобразо-
ателям погрешностей несуществен. Однако возникают специфи-
489
ческие погрешности, например от наклона прибора, вызванные из-
менением условий теплоомена с окружающей средой. Сведения об
использовании воздушных преобразователей изложены в работах
171, 77, 84].
§ 2.	Одноэлементные
вакуумные термопреобразователи
1.	Области применения
Используются для измерения малых значений переменного
тока, напряжения и мощности в расширенном интервале частот:
применяются в вычислительной технике и в цепях гальванической
развязки. Для повышения чувствительности, уменьшения .потреб-
ляемой преобразователем мощности, снижения влияния перегрева
токоподводов и изменения температуры окружающей среды исполь-
зованы конструкции, позволяющие свести к минимуму потери теп-
ла нагревателем. Одним из эффективных способов снижения этих
потерь является вакуумирование нагревателя и термопары. Для
этой цели они монтируются в стеклянном баллоне, где создан ва-
куум 10~4— 10“6 мм рт. ст.
2.	Распределение температуры в преобразователе
Рассчитывается при различных допущениях. Простейшее распре-
деление температуры находится, если пренебречь теплообменом
(при вакуумировании) нагревателя с окружающей средой и поте-
рями тепла на излучение при не очень больших перепадах темпе-
ратуры (100—150° С) [42]. В этом случае решение совпадает с по-
лученным для коротких воздушных нагревателей (XII.8, XII.9).
Однако из-за малой мощности нагревателя становится существен-
ным отвод тепла ветвями термопары, приводящий к снижению мак-
симальной температуры нагревателя. Более точно ее значение да-
ется выражением [49, 69]
4	_____ ~___________
/2р/(ш/) х/(a 'd) th I У a' /(nd)
Te=—t-------------;--------------------. (XII.13)
jtd/4 У na'd cth 21 У a' /(nd)
n0=i	”
где — число нитей, сходящихся к спаю. Предполагается, что
длина ветвей термопары /, теплопроводность и сечение ветвей тер-
мопары равны теплопроводности и сечению нагревателя.
В слаботочных вакуумных преобразователях становятся су-
щественными влияния эффекта Томсона в нагревателе и эффекта
Пельтье в спаях нагревателя с токоподводами. Симметрия распре-
деления температуры в нагревателе при этом (рис. XII.21) нару-
шается. Эффект Пельтье в принятых на рис. XII.21 допущениях
не может привести к изменению температуры нагревателя, посколь-
ку концы его находятся в изотермических условиях. Однако в реаль-
ных конструкциях токоподводы не обеспечивают строгую изотер -
490
мичность, поэтому эффект,Пельтье может привести к перераспре-
делению температуры в нагревателе (рис. XII.25). Действие эф- •
фекта Томсона приводит к дополнительной генерации тепла в од-
ной половине нагревателя и его поглощению в другой (ртГс. XII.26).
По этой причине при протекании постоянного тока термопара мо-
жет разогреться до температуры, отличной от температуры при
протекании такого же действующего
значения переменного тока, где эф-
фект Томсона несуществен. Таким
образом, для нахождения распреде-
ления температуры в отличие от
Рис. XII.25. Схема, поясняющая воз-
можность влияния эффекта Пельтье
на распределение температуры в на-
гревателе.
(XI 1.5) необходимо учесть эффект Томсона и отвод тепла термо-
парой; эффект Пельтье может быть учтен в граничных темпера-
турных условиях для нагревателя. Для расчета используется мо-
дель, приведенная на рис. XII.27. Нагреватель разделен местом
контакта с термопарой на две части. Для каждой из частей урав-
Рис. XII.26. Распределение температуры в нагревателе с уче-
том эффекта Томсона при изменении направления тока:
1---[-/; 2	—/; 3 зависимость на переменном токе.
Рис. XII.27. Модель для расчета распределения температуры
в вакуумном одноэлементном термопреобразователе:
1, 2 -г- части нагревателя; 3 — термопара.
некие теплового баланса в стационарных условиях имеет вид [125]
хз1Г-тт/^ + ^-8и<тБ(Г4-7о4)^ = 0>	(ХП.14)
где d — диаметр нагревателя. Граничными условиями для уравне-
ния (ХП.14) являются температуры концов нагревателя 7\ и Т2
и температура спая Тс. Из частей нагревателя в термопару пере-
текают тепловые потоки
Qi + Q2 = xs (g) + xs (Д) = xTsT (Тс - го) 1, (XII.15)
491
создающие в термопаре перепад температуры (Тс— То). В (XII. 15)
х , sT, /т — коэффициент теплопроводности, площадь поперечного
сечения и длина термопары; излучением термопары пренебрега-
ется. Из двух уравнений (XII. 14) и (XI 1.15) методом последователь-
ных приближений находится распределение температуры в преобра-
зователе (рис. X 11.28).
Рис. XII.28. Распределение темпера-
туры в вакуумном термопреобразова-
теле (асимметрия вызвана эффекта-
ми Томсона и Пельтье). То — темпе-
ратура холодных концов термопары,
равная температуре окружающей сре-
ды; 7\, Т2 — температуры контактов
нагревателя с токоподводами (отли-
чие от То вызвано действием эффек-
та Пельтье); Тс — температура спая
термопары.
Приближенно температура Тс определяется из выражени,
/р	тт/2/\ /р /тт//2 тт/2/2\ Тс	।
stt у 2sx 12s2x2y stt у 2sx ' 12s2x2y	\ *
V ,	\ Tc-T1f	TTZ
' sx ‘ 12$x2/ ‘ l2 \	2sx	12s2x? /
xTsT
= _7^(Г‘“Го)-	(xn.16)
Если термопара расположена в центре нагревателя (If = /2 = /)
 т
с~ 2А \	12А/^ 2А \	12А	12А/ -
Вх!
(XIL17)
где
А = 2 + 5Х в — Тт/
I ’ х SX
Расчет распределения температуры и значения температуры
в области контакта нагревателя с термопарой является исходным
при конструировании, определении параметров и расчете погреш-
ностей термопреобразователей.
3. Конструкция и основные параметры
преобразователей типа ТВБ
Типичная конструкция приведена на рис. XII.29, внешний вид —
на рис. XII.30. Преобразователь состоит из вакуумного баллона
с четырьмя металлическими переходами, на которых вмонтированы
492
концы нагревателей и термопары [84, 121]. В контактных преобра-
зователях спай термопары и середины нагревателя сварены, в бес-
контактных соединение осуществляется бусинкой из вакуум-це-
мента диаметром 40—400 мкм. Диаметр ветвей термопары 10—60 мкм;
Рис. XII.29. Схемы вакуумных термопреобра-
зователей:
а — типа ТВБ; б — некоторых зарубежных высокочас-
тотных; 1 — вакуумный стеклянный баллон; 2 — на-
греватель; 3 вакуумный переход; 4 — термопара.
Рис. XII.30. Внешний вид термопреобразователей:
а — типа ТВБ; б, в — некоторых зарубежных высокочастотных.
для изготовления нагревателей часто используют микроп'ровод в
стеклянной изоляции. Основные эксплуатационные параметры пре-
образователей сведены в табл. XI 1.2. Преобразователи типа ТВ —
контактные, ТВБ—бесконтактные. Параметры вакуумных термо-
преобразователей некоторых зарубежных фирм приведены в та-
блице XI 1.3.
493
Технические параметры отечественных вакуумных термопреобразова-
Тип преобразова- теля	Номинальный ток, мА	Номинальная термоЭДС, мВ, не менее	Допустимая пере- грузка, % номи- нального тока	S фО ® к ч ф «но S сз о н и е; о о о Odd) О ® к	Сопротивление термопары, Ом, не более	Диаметр нагрева- теля, мм	
ТВБ-1	1	2,5	150	600	40	0,01	
ТВБ-2	3	5	150	200	35	0,01	
ТВБ-3	5	10	150	150	35	0,01	
ТВБ-4	10	12	150	60	15	0,02	
ТВБ-5	30	12	150	13	15	0,02	
ТВБ-6	50	12	150	7	5	0,035	
ТВБ-7	100	12	150	3	5	0,042	
ТВБ-8	300	12	150	1	3	0,042	
ТВБ-9	500	12	120	0,8	2	0,062	
ТВ-4	50	30	120	12	12	.—•	
ТВ-5	75	30	120	8	8	—	
ТВ-2	100	30	120	6	6	—	
ТВ-14	250	30	120	2	2	—	
ТВ-15	500	30	120	1,1	1,1	—	
ТВ-16	1000	30	120	0,6	0,6	—	
Таблица ХП.З
Технические параметры вакуумных термопреобразователе й
некоторых зарубежных фирм [54]
Фирма	Номи- нальный ток, мА	Термо- ЭДС, мВ, не менее	Допусти- мая пе- регрузка, % номи- нального тока	Сопротив- ление на- грева- теля, Ом, не более	Сопро- тивле- ние термо- пары, Ом	Шунти- рующая емкость, пФ	Макси- мальная рабочая частота, МГц
«Hartman und Braun»	1—250	7—12	150	3—1800	2,5-8	0,5—1,5	200—1000
«Siemens»	5—100	10—12	150—200	3—150	3—12	1	200-300
«Weston»	1,5-500	5	200—250	0,2—750	3—6	—	—
«Filips»	5—200	4—12	—	1,1—75	3-5,5	—	—
494
Таблица XTI.2
щелей типа ТВБ [24, 71, 84]
	Длина нагрева- теля, мм	Емкость между нагревателем и термопарой, пФ	Материал нагре- вателя	Температурная погрешность на 10° С, %	Нестабильность во времени, %	Частотная по- грешность, %	Погрешность асимметрии, %	Материал термо- пары	Завод-изготови- тель
	4 4 3,8 3,8 4 4 4 3,8 3,5	0,7 0,7 0,7 0,7 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0	Бор ИСТЫЙ чугун То же » » Нихром » » » » »	0,3—0,9	0,6—6,0 за Ч ч	0,3—0,4 при f=6—25МГц	0,02—0,2	Хромель—копель	Московский электровакуумный завод
4. Чувствительность
Характеризует крутизну вольт-амперной характеристики преобра-
зователя
dF
s =	(XII.18)
В приближениях формулы (XII. 1)*
S = 2/<npZ,	(XIL19)
т. е. чувствительность зависит от тока через преобразователь и
коэффициента преобразования Кпр. Выражение для коэффициента
преобразования [42, 71, 78] упрощенно может быть записано в виде
Кир =	(XII.20)
где а — термоЭДС термопары, F* — коэффициент, равный отно-
шению приращения температуры горячего спая к приращению мощ-
ности нагревателя:
F*= 1/sa',	(XII.21)
495
s и a' — площадь поверхности теплообмена и коэффициент тепло-
обмена соответственно,
/?на/
S=-2-r,	(XII.22)
Ра — сопротивление нагревателя, откуда следует, что чувствитель-
ность преобразователей может быть увеличена путем увеличения
термоЭДС термопары и сопротивле-
ния нагревателя и уменьшения теп-
ловых потерь. Рост термоЭДС может
быть достигнут при использовании
Рис. XI 1.31. Конструкция термоэле-
мента с теплопроводящим нагревате.-
лем:
1 — проводник нагревателя; 2 — покрытие
из материала с высокой теплопроводностью;
3,4 — ветви термопары; 5 спай; 6, 7
изоляция [10].
термопар из полупроводников или полуметаллов; увеличение со-
противления нагревателя достигается при их изготовлении из уголь-
ных пленок или других материалов, обладающих большим удель-
ным сопротивлением; уменьшение потерь тепла достигается ваку-
умированием и зеркальным покрытием стеклянного баллона термо-
преобразователя [113].
Таблица XII.4
Термопреобразователи повышенной чувствительности
для установки УППТ-1 [57]
Параметр	Номинальный ток, мА	
	10	.3
Сопротивление нагревателя, Ом Сопротивление термопары, Ом Максимальный ток при пороге чув- ствительности 0,03%,- мА ТермоЭДС при номинальном токе, мВ Температурный коэффициент термо- ЭДС (%/К) Время изменения термоЭДС до 99,97% полного значения, с при включении номинального тока при выключении тока Испытанное напряжение изоляции между нагревателем и термопарой, В	60 7 4 10,‘5—13 —0,28 22 37 500	170 18 1 12,1-13,4 -0,3 12 15 500
496
Предложена также конструкция преобразователя, в которой
для уменьшения тепловых потерь [10] применен переносчик тепла
из периферийных участков к термопаре.
Конструкция такого прибора приведена на рис. XII.31. Се-
ребряное покрытие, напыленное на микропровод, увеличивает теп-
лопритоки к спаю термопары,
вительности термопреобра-
зователя.
Во ВНИИМ совместно
с заводом «Эталон» разрабо-
таны вакуумные преобразо-
ватели повышенной чув-
Рис. XII.32. Способ улуч-
шения чувствительности тер-
мопреобразователя подклю-
чением дополнительного ис-
точника постоянного тока;
что приводит к увеличению чувст-
ствительности [87]. Нагреватель преобразователя изготовлен из
нихромовой проволоки, намотанной на стеклянный трубчатый изо-
лятор; внутри трубки. размещена термопара хромель—копель.
Параметры преобразователей приведены в табл. XII.4.
При малых токах увеличение чувствительности преобразова-
теля достигается подключением к нагревателю дополнительного
источнйка электрического тока (рис. XII.32), позволяющего пере-
Рис. XI 1.33. Способы повышения чувствительности из-
мерительного преобразователя [71].
вести режим работы преобразователя в область с большей крутиз-
ной вольт-амперной характеристики. Повышение чувствительности
достигается и при включении идентичных преобразователей в мос-
товую схему (рис. XII.33). Чувствительность регулируется про-
пусканием через одну из диагоналей моста вспомогательного то-
ка [71].
Параметры высокочувствительных преобразователей приве- **
Дены в табл. XI 1.5. Высокие значения чувствительности получены
497
Т а б л и ц а XII.5
Параметры высокочувствительных вакуумных термопреобразова-
телей [7-1]
Тип преобразователя, завод-изготовитель или фирма	Номинальный ток, мА	Номинальная ЭДС, мВ	Сопротивле- ние нагрева- теля , Ом	Сопротивле- ние термопа- ры, Ом	Материал наг рева- теля	Коэффи- циент пре- образова- ния, мВ мА2
ТВБ-1	1,0	2,5	600	50	Чугун	2,5
«Hartman und Braun»	2,0	12	1 800	35	Уголь	3
-	1,0	7	1 800	8	»	7
	0,6	5	4 000	22	»	14
EAB	1,0	5	2 000	22	»	14
ИФГ	0,5	5	7 000	25	»	20
«Weston»	1,5	5	1 365	6	—	2,2
-	2,0	5	750	6	—	1,2
Опытные преобразо-	0,1	0,4	62 000	16	Угольная	40
ватели ВНИИМ	0,1	0,38	16 500	30	пленка	38
на опытных преобразователях ВНИИМ. Нагреватель этих преоб-
разователей выполнен на стеклянной трубочке длиной 2,5 мм с на-
ружным диаметром 0,18 мм из суспензии на основе мелкозернистой
сажи и эпоксидной смолы. Толщина смолы 0,01—0,02 мм. По оси
трубочки расположена термопара хромель—копель. К недостаткам
преобразователей с высокоомными нагревателями относятся их
большие частотные погрешности и нестабильность во времени. Ва-
риант конструкции преобразователей описан в работе 178].
5.	Перегрузочная способность
Увеличение тока через нагреватель приводит соответственно к
увеличению температуры, поэтому перегрузочная способность
вакуумных преобразователей невелика. Действительно, нагрев
в центре нагревателя при номинальном токе составляет обычно
100—200° С и увеличение тока до трех-четырех номинальных его
значений приводит к нагреву до температур, при которых в боль-
шинстве случаев преобразователь выводится из строя. Поэтому
перегрузочная способность обычно не превышает 150—200% зна-
чения номинального тока.
Для предотвращения токовых перегрузок в схемах с преобра-
зователями используются различные блокирующие устройства. Для
этой цели предложено [40] применять нелинейные элементы (на-
пример, диоды) или специальные автоматы [52]. Используются и
плавкие предохранители из микропровода.
6.	Инерционность
Определяется с достаточной степенью точности постоянной време-
ни т. Используют также интервал времени £0, в течение которого
498
нагрев термопары достигает 99% значения ее максимального на-
грева. Между этими двумя параметрами существует связь [102]
Z0«4,6t.	* (XII.23)
Время, за которое достигается более точно максимальное зна-
чение термоЭДС (99,9%),
/0 « 6,9 т;	(XII.24)
время, за которое достигается 99,99% максимальной термоЭДС,
/0	9,2 т.	(XI 1.25)
Для контактных преобразователей постоянная времени может
приближенно определяться по формуле [68, 69]
1
Мд
cspQ	ср б/2
(XII.26)
/2ра^
где Мп = afnd---------
а	s
d — диаметр проволоки, s — площадь попе-
речного сечения проволоки, с.— удельная теплоемкость материала
проволоки, Ро — плотность, / — длина проволоки. Если четыре про-
волоки преобразователя от места их пересечения до контактных
проводников имеют одинаковые постоянные времени, то этому же
значению равна постоянная времени преобразователя. Если постоян-
Рис. XII.34. Схема преобра-
зователя с различными постоян-
ными времени:
1 — вакуумный баллон; 2, 3, 4 —
висмутовые ветви со спаями на раз-
личных расстояниях от нагревателя
(т4 > т3 > т2 — постоянные времени
преобразователя на электродах 2, 3,
4)\ 5 — константановый нагреватель;
6 — платиновый стержень [93].
ные време'ни проводников различны, то для расчета постоянной вре-
мени преобразователя берется большая из них.
У бесконтактных преобразователей постоянная времени за-
висит также от тепловых свойств материала бусинки и ее геомет-
рических размеров. Иногда необходимы преобразователи с меняю-
щимся значением постоянной времени. Для этого предлагается
[93] конструкция, содержащая нагреватель и комбинированную
термопару, одна ветвь которой представляет собой теплопроводя-
щий стержень, вторые ветви присоединены к нему на различных
расстояниях (рис. XII.34); нагреватель монтируется на стержне.
Чем дальше расположен спай, тем больше времени необходимо для
достижения стационарного режима, тем, естественно, больше по-
стоянная времени преобразователя. Таким образом, на различных
спаях достигаются различные постоянные времени.
499
7.	Стабильность параметров во времени
Для большинства преобразователей типа ТВ Б временные погреш-
ности (изменение термоЭДС за время измерения) в течение 2—3 мин
не превышают 0,002 — 0,006%. При использовании масляных
термостатирующих ванн погрешность уменьшается до 0,001% [3].
Стабильность параметров преобразователей с проволочными на-
гревателями исследована в работе [106]. Для преобразователей
с нихромовыми нагревателями изменения термоЭДС при номиналь-
ном токе 10 мА между двумя измерениями с интервалом 1 неделя
не превышали 0,5 мкВ, что составляет менее 0,001% номинальной
термоЭДС. Из этого делается вывод, что нестабильность^ в течение
года не должна превышать 0,1%. Исследованиями 12 преобразо-
вателей без перегрузок в течение 10 лет зафиксировано изменение
характеристик не более чем на 0,5%. Кратковременные перегрузки
изменяют вольт-амперные характеристики преобразователей на не-
сколько процентов.
8.	Влияние изменения температуры
свободных концов термопары
Изменение температуры свободных концов термопары является
источником искажения параметров преобразователей. Для умень-
шения искажений в конструкцию преобразователя могут вводиться
дополнительные компенсирующие термопары
[107, 108]. Пример такой конструкции при-
веден на рис. XII. 35. Спаи компенсирующих
термопар установлены на концах нагревателя.
Компенсирующие термопары соединены па-
раллельно одна с другой и последовательно
с измерительной термопарой."К преимуще-
Рис. XI 1.35. Преобразователь с компенсирую-
щими термопарами:
1,2 — ветви термопар; 3 — нагреватель [107, 108].
ствам такого включения относится отсутствие контакта различных
ветвей термопары с электродами преобразователя. Тепловые мосты
между свободными концами термопары и термостатирование преоб-
разователя также уменьшают влияние изменений температуры сво-
бодных концов термопары.
9.	Изменения параметров преобразователя
в интервале температур
Эти изменения обусловлены рядом причин, в первую очередь тем-
пературными зависимостями свойств материалов термоэлемента и
нагревателя, изменениями условий теплообмена. Их влияние умень-
шается, если в цепь термопары вводят элементы компенсации
(рис. XII.36). Они могут располагаться как вне корпуса преобра-
зователя, так и монтироваться [119] с элементами, расположенными
внутри вакуумного баллона (рис. XII.37). Уменьшение погрешности
500
может быть достигнуто и соответствующим выбором материала тер-
мопары и нагревателя [75]. Температурные зависимости могут быть
почти полностью компенсированы также при использовании урав-
новешенных дифференциальных схем с двумя идентичными преобра-
зователями.
Рис. XII.37. Схемы вакуумных преобразователей с резистив-
ной температурной компенсацией:
1 — резистивный элемент, компенсирующий температурные изменения
параметров преобразователя; 2 —термопара; 3 — нагреватель [119].
10.	Влияние эффектов Пельтье и Томсона
Действие названных эффектов приводит к нарушению симметрии
в распределении температуры нагревателя и к смещению области
максимального нагрева в- зависимости от направления тока через
нагреватель *(см. рис. XII.26). Из рисунка следует, что эффекты
Пельтье и Томсона приводят к нарушению тождественности пока-
заний на переменном.и постоянном токах.
Изменение температуры в центре нагревателя для случая, ког-
да коэффициент Томсона несущественно зависит от температуры,
приближенно определяется из выражения [100]
Г 4 /MYI
ДГ = Т I+4I-77-	,	' (XII.27)
|_ «о \ U } ]
где тт—коэффициент Томсона, U — разность потенциалов на концах
нагревателя. Более точно влияние эффекта Томсона определяется
при аппроксимации зависимости тт линейной функцией темпера-
уры [100]:
/	о	\
тт = То + 4 Т + 273 ;	(X11.28)
\	о	J
где Ва  вторая производная функции зависимости термоЭДС от
температуры. Рассчитанные погрешности при Т — TQ~ 200° С,
U — 0,2 В для различных материалов приведены в табл. XII.6.
Экспериментально подтверждено влияние эффекта Томсона
на точность преобразования: для константановых нагревателей
при токах 0,1; 0,5; 1,0 А погрешность составляет не менее 0,06%,
для нихрома и платиноиридия при токах 1; 2; 5; 10; 20; 50; 200 мА —
не менее 0,01% [100].
501
Т а б л и ц а XII.6
Влияние эффекта Томсона на точность преобразования [/00]
Материал нагревателя	' B/K2	Погрешность.от влияния эффекта Томсона, %
Медь	+0,8.10“8	0,005
Платина	’ —3,2	—0,013
Манганин	—0,08	0,005
Константан (60% Си—40% Ni)	—7,3	—0,064	,
90% Ni—10% Cr	—3,2	-•0,013
85% Pt—15% Ir	—2,1	—0,005/
На преобразователях ТВБ-1 и ТВБ-2 с нагревателями из чу-
гуна изменение термоЭДС при изменении направления тока до-
Рис. X 11.38. Схема, демонстрирующая возможность час-
тичной компенсации искажающего влияния эффектов Том-
сона и Пельтье на распределение температуры в нагрева-
теле термоэлектрического преобразователя:
1 — дополнительный электрод; 2 —> шунтирующее сопротивление.
Рис. XI 1.39. Зависимости, демонстрирующие возможность
исключения ошибки, вызванной разнополярностью тока: <
1, 2 — зависимости ЭДОтермопары Е от тока в различных направле-
ниях; /0 — ток, при котором ошибка от разнополярности минималь-
на [3].
стигает 1%. Меньшая погрешность у преобразователей с нихро-
мовыми нагревателями. Уменьшение этих погрешностей достига-
ется при выборе материала, обладающего минимальными эффек-
тами Томсона и Пельтье. Лучшие результаты получены для нагре-
вателей из манганина или платино-иридиевого сплава (85% Pi —
15% 1г); погрешность перехода от постоянного тока к переменному
в этих случаях не превышает 0,005% (см. табл. XII.6).
Иногда для уменьшения погрешности используют отводящий
электрический проводник от участка, близкого к центру нагрева-
502
теля. Им с помощью шунтирующего сопротивлення уменьшается
мощность в той части нагревателя, где эффект Томсона приводит
к избыточному нагреву (рис. XII.38). Метод исключения погреш-
ности предложили Т. Б. Рождественская и Р. Ф. Акнаев [3]. В нем'
использован тот факт, что для многих преобразователей зависимос-
ти выходного напряжения от подводимого тока при различных его
направлениях представляются пересекающимися кривыми (рис. XII
39). Это означает, что для тока /0 изменение полярности не приво-
дит к изменению термоЭДС, и ошибка сводится к минимуму (0,001 —
0,005%). Методика определения погрешности, вызванной асиммет-
рией распределения температуры нагревателя, изложена также
в работах 198, 125, 120]. Влияние эффектов Пельтье и Томсона
усугубляется асимметричным расположением спая термопары и
нагревателя.
11.	Квадратичность преобразования
Термопреобразователи характеризуются квадратичностью преоб-
разования, т. е. постоянством коэффициента A"np(XII. 1) в динами-
ческом диапазоне токов. Для.описания отклонения от квадратич-
ности используют также показатель степени п в формуле

(XII.29)
Рис. XII 40. Два способа достижения квадратичности
преобразования при использовании составных нагрева-
телей:
а — нагреватель из трех составных элементов; б — нагреватель
из двух составных элементов; /, 3 — нихром; 2 — платина [112].
Рис. XII.41. Преобразователь с тепловым шунтом 1
[109].
или разложение (XII. 1) по степеням до четвертой включительно:
Е = K1Z2(1 - К2/2),'	(ХП.ЗО)
где К-| и — постоянные. Отклонения от квадратичности преоб-
разования в основном обусловлены температурными зависимостями
параметров материала нагревателя и термопары и изменениями
условий теплообмена при изменении температуры нагревателя.
При нагреве не выше 150° С слагаемое К212 находится в пределах
0,02 —0,1 (в среднем 0,05) [106].
Для уменьшения отклонения от квадратичности могут быть
использованы конструкции, компенсирующие изменения условий
503
работы преобразователя и температурные зависимости свойств ма-
териалов.
В работе [112] для этой цели предложено применять составные
нагреватели, выполненные из материалов с различными по знаку
температурными коэффициентами сопротивления (рис. XII.40).
Выбором длин частей нагревателя можно добиться отклонения от
квадратичности не более п~ 1,99-г-2,01 (XII.29).
Применяют также дополнительный тепловой шунт, теплопро-
водность которого изменяется с изменением температуры так, что-
бы погрешности преобразователя и погрешность, вызванная изме-
нением теплового потока через шунт, компенсировали друг друга
[109]. Конструкция такого преобразователя приведена на рис. XII.
41. Применение шунта уменьшает температурный коэффициент вы-
ходной ЭДС от — 0,2 до 0,002%/К.
12.	Частотные погрешности
Влияние скин-эффекта. Обусловлено возрастанием сопротивления
нагревателя на высоких частотах [59]. Для круглых нагревателей
приближенно [69, 122]
&Rnf 1 . • 4
<ХПЛ1>
где В = ~ ]/"л/рг — радиус нагревателя, — магнитная про-
ницаемость материала нагревателя, oz — удельная электропровод-
ность материала нагревателя при температуре t, &RHf — изменение
сопротивления нагревателя Rn на частоте /.
Для В < 1
« 5 •	(ХП.32)
где со — 2л/. ,
Более подробно влияние поверхностного эффекта рассмотрено
в работах [1, 5, 98J. Погрешность рассчитана для случая, когда
влиянием индуктивной и емкостной составляющих преобразователя
пренебрегают. При равных термоЭДС на переменном и постоянном
токах
= l2fRaf	(ХП.ЗЗ)
(/^ — ток через нагреватель, сопротивление которого на частоте
/ равно 7?нр, частотная погрешность
(ХП.34)
а при Rap не очень отличном от /?н,
= (XIL35)
504
Для круглых проводников
^н/	. . т4 г
(Мон магнитная постоянная, равная 4л • 10“7г/м).
XII.36 справедлива' при m< 1. Частотная погрешность
— т* _	I6r2co2p,^|i0//
vf~~~6 ~	6,1 • 108р3 
(XII.36)
Формула
(XII.37)
В табл. X11.7 приведены рассчитанные для частот 1; 10; 30 МГц
значения погрешности преобразователей ТВБ-1, ТВБ-3 с чугунными
нагревателями и ТВБ-4, ТВБ-5 с нихромовыми нагревателями.
Влияние скин-эффекта существенно только для преобразователей
ТВБ-2 и ТВБ-3 на высоких частотах (v^ до 0,2%).
Таблица XII.7
Рассчитанные погрешности влияния поверхностного эффекта
в нагревателях преобразователей типа ТВБ ‘[5]
Тип термопреоб- разователя	Диаметр нагревателя, мкм	Погрешность, %, при частоте, МГц		
		I	10	30
ТВБ-1	2,3	2.10-’	2-10-4 .	0,002
ТВБ-2	4,8	4-10—5	0,004	0,04
ТВБ-3	6,5	2-10—4	0,02	0,2
ТВБ-4	11,6	4-10-®	4.10- ’	3.10—5
ТВБ-5	26	ыо-’	ЫО"4	ЫО-з
Учет влияния реактивной составляющей сопротивления нагре-
вателя. Погрешность^ вызванная реактивной составляющей со-
противления нагревателя для эквивалентной схемы, приведенной
на рис. X1L42, дается выражением [69, 84]
---==^==-1,	(XII.38)
где I — ток, подводимый к преобразователю, /j — ток через нагре-
ватель, со0 =	— резонансная частота эквивалентного контура.
Рабочие частоты преобразователя должны быть существенно меньше
резонансной: со < со0. В этом случае
/т_ 7_(о2/	С/?2\
1 ~<ооЧ 2£Л
(XII.39)
505
Индуктивность нагревателя круглого сечения определяется по
формуле [46, 77]
/1	Л
L = 21 In у — 1I. io-9,	(XII.40)
Рис. XII.42. Эквивалентная схема нагревателя термопреобразовате-
ля для определения погрешностей на повышенных частотах:
С — межэлектродная емкость; L — индуктивность нагревателя; R — омическое
сопротивление нагревателя.
Рис. XII.43. Схема, иллюстрирующая утечки тока через емкости
преобразователя на повышенных частотах.
Рис. XII.44. Зависимость погрешности, обусловленной дополнитель-
ным подогревом термопары на частоте 100 МГц:
/ — ТВБ-2; 2 — ТВБ-3; 3 — ТВБ-5; 4 — ТВБ-4; 5 — ТВБ-6; 6 — ТВБ-7 [76].
Рис. XII.45. Зависимость погрешности, обусловленной дополнитель-
ным подогревом термопары на частоте 400 МГц:
/ __ ТВБ-2; 2 — ТВБ-3; 3 ТВБ-5; 4 — ТВБ-4; 5 — ТВБ-6; 6 — ТВБ-7 [76].
где I — длина, d — диаметр нагревателя. Для нагревателя прямо-
угольного сечения
£ = 2/ In	+ ^ + — 35z(a + d) | • IO-»,	(XII.41)
где а, b — стороны сечения прямоугольного нагревателя. В (XII.40),
(XII.41) L приводится в генри.
506
Влияние емкостных утечек тока через нагреватель. Влияние
утечки тока при включении термопреобразователя в цепь постоян-
ного тока ничтожно мало, так как сопротивление изоляционной
бусинки в 107— 1010 раз больше сопротивления нагревателя или
термопары. На повышенных частотах утечки подводимого к преоб-
разователю тока становятся существенными через контуры, содер-
жащие емкости със2, с3 (рис. XII.43), где —емкость между элект-
родами нагревателя и «землей», с2 — между нагревателем и термо-
элементом, с3 — между электродами термоэлемента и «землей».
Токи утечки, текущие через термопару, вызывают ее дополнитель-
ный подогрев 176]. Эти погрешности ограничивают применение тер-
мопреобразователей в цепях с потенциалом относительно «земли».
Для преобразователей типа ТВБ значения таких погрешностей при
частотах 100 и 400 МГц приведены на рис. XII.44 и XII.45. Для
уменьшения этих погрешностей
[30] необходимо тщательно экра-
нировать цепи преобразователя
или заземлять один из выводов
нагревателя.
Рис. XI 1.46. Схема термопреобра-
зователя с шунтированием термо-
пары для уменьшения влияния то-
ков утечки [5].
Расчет погрешностей, вызванных утечками на высоких часто-
тах, рассмотрен в работе [5]. В этой же работе предложен ряд схем,
уменьшающих погрешность, вызванную утечками тока через термо-
пару (рис. XII.46).
Учет влияния электродов нагревателя. Для электродов из не-
магнитных материалов (например, медных) необходимо учитывать
их индуктивную и емкостную составляющую. Для электродов из
магнитных материалов (например, ковара) необходимо дополни-
тельно учитывать влияние поверхностного эффекта. Обозначим [5]
Rif =7?i + A/?Ip Llf =LiQ+'Lli,
R2f = R2 + AR2f, L2f = L20 + L2t,	<ЛП:44
где Ry—сопротивление выводов на переменном токе, R±, R2 —
сопротивление выводов на постоянном токе, AR^, — прираще-
ние сопротивлений . на переменном токе,Ly— индуктивность
выводов, Llo, L20 — внешние индуктивности, L2i — внутренние
индуктивности. Погрешность для случая сопротивления нагревате-
ля 7?н, существенно большего R^ и Ry, определяется по формуле
(RH + ^-1/ + Ь2р^ _
-’	+ ^2/) ^1^1/ •	(XII.43)
507
Величины /?jp R2!, Lit, L2i находятся из формул
^1/ — V^HthHohPi» ^2/ —	]//'(’412н!-хонР2’	(XII.44)
/2 1/" H2HH0//P2
7ld2 У co *
, net li 1/",
L>‘=0>6^K —— >4- = o>6
где LH, CH — индуктивность и емкость нагревателя, fa, l2 — длины
электродов, р,ш, |i2// — магнитные проницаемости материалов элект-
родов, plt р2 — их удельные сопротивления. Для преобразователей
ТВБ-3, ТВБ-4 [5] с выводами из ко-
V	варовой проволоки диаметром около
0,5 мм погрешность от поверхностного
эффекта может достичь 0,1—0,3% при
частоте 1 МГц и 1—2% при 30 МГц.
Для преобразователей с выводами из
Рис. XII.47. Рассчитанные погрешности термопреобра-
зователей типа ТВБ в области высоких частот:
1 _ ТВБ-7; 2 — ТВБ-4; ТВБ-5, ТВБ-6; 3 — ТВБ-3; 4 ТВБ-2; 5 —
ТВБ-1 [69, 84].
Рис. XII.48. Усредненные измеренные частотные по-
грешности термопреобразователей типа ТВБ:
1 — ТВБ-3; 2 — ТВБ-7; 3 — ТВБ-4, ТВБ-5, ТВБ-6; 4 — ТВБ-1 [28].
немагнитных материалов погрешности от поверхностного эффекта на
частотах до нескольких мегагерц несущественны, а при 30 МГц не
превышают 0,05—0,2%.
Дальнейшее повышение рабочей частоты приводит к возраста-
нию погрешностей преобразователей. При 150 МГц они находятся
в пределах 2,5 «— 4% для номинальных токов 3—50 мА и 6—7% для
номинальных токов 1 — 100 мА. Для токов свыше 100 мА погреш-
ности влияния выводов возрастают. Для ТВБ-8 при токе 300 мА
и частоте 100 МГц погрешность составляет 5 — 8%, для ТВ Б-9
достигает 20%. Частотные погрешности преобразователей типа ТВБ
приведены на рис. XII.47, XII.48. Сведения о некоторых зарубеж-
ных высокочастотных преобразователях приведены в табл. XI 1.8.
Погрешности на низких частотах. Погрешности преобразовате-
лей на низких частотах обусловлены изменениями средней темпера-
туры нагревателя при изменении частоты переменного тока, вызван-
ными температурными зависимостями электрического сопротивле-
ния и теплопроводности материала нагревателя. Погрешности воз-
508
Таблица ХП.8
Электрические характеристики некоторых зарубежных
высокочастотных преобразователей [92]
Максималь- ный ток на- гревателя, мА	Сопротивле- ние нагрева- теля, Ом	Сопротивле- ние термопа- ры, Ом	Выходное напряжение термопары, ' мВ	Погрешность реверсирова- ния, %	Перегрузоч- ная способ- ность, %	Индуктив- ность нагре- вателя, мкГ	Емкость,- ' пФ
3	600	12	10		75		
5	90	8	7	0,2-0,005.	250	0,026	0,3
7	70	12 -	10		75		
10	40	12	10		75		
10	25	8	7	0,2—0,005	250	0,024	0,3
15	20	4	7	0,2—0,02	250	0,023	0,3
20	1-5	4	7	0,2—0,02	250	0,023	0,3
25	10	4	7	0,2—0,02	250	0,023	0,3
30	0,9	4	10	\	75		
50	3	4	7	. 0,2—0,02	250	0,021	0,3
100	2	4	ю •		75		
100	1,5	4	7	0,2—0,02	250	0,021	0,3
150	1,0	4	7	0,2—0,02	250	0,021	0,3
200	0,7-	4	7	0,2—0,02	250	0,021	0,3
250	0,6	4	7	0,2—0,02	250	0,021	0,3
300	0,6	4	10		75		
500	0,4	4	10		75		
500	0,3	4	7	0,2—0,02	250	0,021	0,3
1000	0,2	4	10		75		
1000	0,15	4	7	0,2—0,02	250	0,021	0,3
никают также из-за изменения потерь тепла на излучение. Относи-
тельное изменение температуры в центре нагревателя [69]
1 с
(X 11.45)
а относительное изменение средней температуры всего нагревателя
^^О,3(аог-Ух) Тср<£,
1 ср
(XIL46)
где ос о — температурный коэффициент электрического сопротивления
материала нагревателя, — температурный коэффициент теплопро-
водности материала нагревателя, Тс — среднее за период значение
температуры в центре нагревателя на высокой частоте тока, Тср—
среднее по длине нагревателя за период значение температуры
ЕЛ9
нагревателя на высокой частоте (температуры отсчитаны от температуры
окружающей среды).
7\ CLa
^ = 7^2S7W=H7c;-	(XIL47>
где Ta — амплитуда пульсации температуры в центре' нагревателя,
а0 — температуропроводность материала нагревателя, хн — теплопро-
водность нагревателя, Сн —- теплоемкость нагревателя. Формулы
(XII.45)—(XII.47) получены без учета влияния теплообмена с окру-
жающей средой. В табл. XII.9 приведены значёния минимальных
частот, для которых ДТср/Тср < 0,001 при длине нагревателя 0,4 см
и средней температуре, на 150° С выше температуры окружающей
среды.
Таблица XII.9
Зависимость минимальной частоты переменного тока через преобра-
зователь от материала нагревателя [69]
Материал нагревателя	Температур- ный коэффи- циент сопро- тивления, %/к	Температур- ный коэффи- циент тепло- проводности, %/К	Коэффициент температуро- проводности, см2/ с	Частота, Гц
Медь	0,39	—0,02	1,1	60
Платина	'	0,35	0,05	0,25	12
Манганин	0,01	0,27	0,075	3
Константан	0,01	0,23	0,064	3
Нихром	0,01	0,35	0,038	2
Для газонаполненных преобразователей или при учете потерь
тепла на излучение задача о погрешностях^на низких частотах ста-
новится более сложной [69, 86]. Если коэффициент термоЭДС тер-
мопары несущественно зависит от температуры, относительная час-
тотная погрешность
Vf 2 (1 + 4ы2т2) ’
(XII.48)
где То—температура нагревателя при круговой частоте со = 0, т —
у, ? Ri ROh
постоянная времени нагревателя, a = a0 ~;—5— , Ro— сопротив-
1 Ri + ^он
ление нагревателя при 20° С, 7?! — значение добавочного сопротив-
ления, присоединенного к нагревателю. Учет температурной зависи-
мости коэффициента термоЭДС приводит к следующему выражению
для/ относительной ошибки:
_("!i+ «[ — «) Т’о
vf~ 2(14-4го2т)
(XII.49) .
510
где mi — постоянная в зависимости коэффициента термоЭДС от тем-*
пературы
а - а2Т0(1 + mxT),	(XII.50)
п — постоянная в аналогичной зависимости коэффициента теплооб мена
от температуры.
Из (XII.48), (XII.49) следует возможность уменьшения час-
тотной погрешности соответствующим выбором т. е. добавочного
сопротивления R.
Погрешности на инфранизких частотах. При использовании
преобразователей на инфранизких частотах необходимо обеспечить
согласование постоянной времени преобразователя с инерцией из-
мерительного прибора [60]. На инфранизких частотах становится
существенной переменная составляющая термоЭДС обусловлен-
ная изменением температуры нагревателя. Влияние Е» на точность
измерений незначительно, если в отношении
Е„ К !
Vo = £2==rZ<TV V1’	(xn.si)
где Е= — постоянная составляющая термоЭДС, Т» — амплитуда
колебания температуры нагревателя, Т= — постоянная составля-
ющая температуры, vx — допустимая для данного класса прибора
погрешность. Составляющие температуры определяются из урав-
нения [37] теплового баланса нагревателя
сн ИГ + айГ = sin	(XII.52)
где Сн — теплоемкость нагревателя, ан' — коэффициент теплообмена’
нагревателя, /0 — амплитуда переменного тока, /?н— сопротивление
нагревателя, со — частота переменного тока. Решение (XII.52) имеет
вид
. RnI20 R„/2o 1
Т = 2^- - 2^- V , , /О.....V2 cos [(2wz + arctg (-2й>Т)]’ <XIIJ53>
2ан ^ан у 1 .у (2сот)2
где т = Сн/о&н — «тепловая» постоянная времени нагревателя. *Из
(XII.53) следует, что температура имеет две составляющие—пере-
менную и постоянную, причем переменная изменяется с удвоенной
частотой по сравнению с частотой подводимого переменного тока.
Из (XI 1.53) также следует, что
1
Vo = —z	—- •
у 1 + (2(ОТ)?
При Vo < 1 формула (XII.54) упрощается:
V° ~~ 2сот ’
и для цилиндрического нагревателя
a's	а'
4nfmc	nfdpoC
(XII.54)
(XI 1.55)
(XI 1.56)
511
где а' «- коэффициент теплообмена нагревателя, s — поверхность
нагревателя, т ‘— его масса, с — удельная теплоемкость материала
нагревателя, d — диаметр, ри*— плотность материала нагревателя.
Для уменьшения погрешности- v0 следует увеличивать диаметр
нагревателя, его теплоемкость и уменьшать теплообмен нагрева-
теля с окружающей средой. Согласование постоянной времени
преобразователя с инерцией измерительного прибора позволяет
снизить частотный диапазон
Рис. XII.49. Модель для расчета час-
тотных погрешностей преобразовате-
ля (3) с резистором (2); / — экран
[3, 4].
измерений до 0,5 Гц. Све-
дения о погрешностях пре-
образователей на инфраниз-
ких частотах приведены в ра-
ботах [36, 37, 60, 86].
Частотные погрешности
преобразователей напряже-
ния [2]. Кроме преобразова-
теля прибор содержит пос-
ледовательно включенное
сопротивление R и цилин-
дрический экран (рис. XII.
49). Для нахождения час-
Рис. XII.50. Эквивалентная схема
преобразователя напряжения с равно-
мерно распределенными параметрами
[3, 4].	.
тотных погрешностей пре-
образователь рассматрива-
ется как отрезок коакси-
альной линии [3, 4] с рав-
номерно распределенными
параметрами (рис. XIL50).
Частотная погрешность оп-
ределяется как отношение
(XII.57)
со2(	LC
2 '	3
(XII.59)
и с достаточной степенью точности описывается параметрами схемы
+ С"(дЯЧ’ + д«’Я,+ д5«‘)].	(X11.5S)
Для случая, когда R > /?н,
vz = -
Индуктивность L (Г) и емкость С(Ф) вычисляются по формулам
L = 4,6|1Я • 10~7/ 1g , С = --’24 ' 10rf 1<>М ,	(XII.60)
lgD
где d — внутренний диаметр цилиндрического экрана, D — диаметр
резистора, — магнитная проницаемость, &с — диэлектрическая про-
512
ницаемость. Формулы (XI 1.58), (XII.59) удобно представлять харак-
теристиками коаксиальных линий
гя -	- 138 .g ° , С - i , L - J- г-«.	(ХП.61)
где 7^ — волновое сопротивление линии при 7? = О, —- длина вол-
ны измеряемого напряжения. С учетом (ХП.61) формулы (XII.58)
и (XIL59) преобразуются:
<72
/2зт/\?
2(Я + Ян)з “
(R + R^ +
(XII.62)
+	4(/? + ян)*
(XII.63)
На рис. XII.51 [4] приведен график погрешностей
ного преобразователя, вычисленный из (XI 1.63) для
1 определяются частотная погрешность
при заданных параметрах преобра-
зователя или геометрические раз-
меры преобразователя для заданной
погрешности.
В ряде преобразователей описа-
ние погрешностей коаксиальными
линиями не обеспечивает требуемой
точности. Для этих случаев целесо-
коаксиаль-
различных
отношений R/7-r. Из графика
Ц /?!
С,
Дц /?1
Ri
С|Т
С2Т

Рис. XII.51. График погрешностей коаксиального преобразователя
при R/Zr, равных:
1 — 3,08; 2-.1.6 и 6; 3* 1,0; 4 — 10; 5 — 0,5; 6 — 20; При R/Zr = 1,84 и 4,96
погрешности равны нулю и график совпадает с осью абсцисс [4],
Рис. XII.52. Эквивалентная схема преобразователя с учетом емкос-
тей (Cf, С2) и индуктивностей (Lf, Д2) выводов нагревателя. Дн, Сн,
/?н — индуктивность, емкость и сопротивление нагревателя; С/, С2—
шунтирующие емкости [5].
17 9-413
513
образно использовать эквивалентную схему с сосредоточенными
параметрами (рис. XII.52). Погрешность определяется из фор-
мулы ]5]
V = т* [vL + vLC + VW],	(XII.64)
(XII.66)
-СЛ(/?Н+ R2)
Ri (LH + l2)
Ян + Я2 .
где m* — множитель, vL, vLC, v^c — составляющие погрешности:
(XIL65)
VL~~2 (Ltt + Lf + L2)2,
vlc ~ ^2R2 [3L2 (Ra +	+ ^2) + ^2 (LH + bf)J —
(Rh + ^2) + 2 (LH + Li + L2) —
~CH7?H(7?i + /?2)[b(7?1+7?2) +
I AH
/?H (Li + L2)l
-Li + ^ + ^+Rri
VRC = I (*H + «I + RJ RlC2 [4 7?нСн + 7?1С1 -f.
RiRh I	W 1
+ 3(7?н+Л1) + 2^[с1+С2+-^]-^2] +
+ у (Cl^i (Rh + Rd + CtRz (Ra + Rl) + CaRa (Ri + /?,)]?.
(X 11.68)
(XII.67)
Для случая, когда /?н > Rif R2i
(LH -J- Lj 4~ L2)2
——2 -------------(Li + LJ-CtLi
^Rh
V = — (О?
Если LH < Lf, L2 и выводы нагревателя одинаковы,
cd2Lo /	1	\
V ~ ~ 2R^	(d2L° \ H C°Z ’
(XII.69)
(ХП.70)
где L0 = 2Li —полная индуктивность выводов, CQ = 2Cf — полная
емкость.
Если Lf > L2, to
«2Lo 2 / J \
V ~ ~	G)2^° \ h ~2 7 ’
(XII.71)
5J4
Из (XII. 71) следует, что погрешности возрастают пропорцио-
нально квадрату частоты, кроме того, существует набор параметров,
для которых у = 0. Соотношение между параметрами в этом случае
= 1/- z L\--------- •	(XIL72)
У 2(сн+-Св)
13.	Высокочастотные преобразователи
Разработаны варианты вакуумных преобразователей для частот вы-
ше 100 МГц. К особенностям их конструкции относится изготов-
ление токоподводов и нагревателя из немагнитных материалов,
применение нагревателей малого диаметра для уменьшения его ин-
дуктивности, уменьшение емкости нагреватель—термопара. Схе-
матическое изображение преобразователей приведено на рис. XII.29,
свойства некоторых преобразователей для СВЧ — в табл. XII.8.
Уменьшение ошибок, обусловленных рассогласованием преобра-
зователя и подводящих’к нему симметричных линий, достигается
Рис. XII.53. Конструкции преобразователей, в ко-
торых предусмотрено согласование с высокочас-
тотными электрическими цепями:
1 — симметрирующие проводники; 2 — согласующий ре-
зистор; 3 — согласующий трубчатый нагреватель [111].
конструкциями, обеспечивающими необходимое волновое соп-
ротивление (50; 75; 140 и 600 Ом) [111]. Варианты таких конструкций
приведены на рис. XII. 53.
14.	Интеграторы
Для определения интегрального электрического заряда, протекаю-
щего через проводник, применяется калориметрический метод [34].
Схема преобразователя приведена на рис. XI 1.54. Количество теп-
ла, выделяющегося в нагревателе, регистрируется термопарой. Для
уменьшения влияния теплообмена использован дополнительный
17*
515
нагреватель и зеркальные колбы. Без уч^та теплообмена зависи-
мость между ЭДС термопары и прошедшими через нагреватель за-
рядами q0 определяется выражением
oJ? q2
£=—(XII.73)
G t
где а — термоЭДС термопары, /?н — сопротивление нагревателя,
С — теплоемкость преобразователя, t — время. В реальных уело-
Рис. XII.54. Схема преобразователя для измерения количест-
ва электричества:
1 — термопара; 2, 5 — стеклянные трубки; 3 — нагреватели; 4 — элект-
род; 6—дополнительный нагреватель; 7, <S — зеркальные колбы; 9 —
отвод для откачки воздуха [34].
Рис. XI 1.55. Конструкции термопреобразователей для интег-
рирования слабых переменных токов произвольной формы:
д — с одной хромель-копелевой- термопарой; б — с термоэлектрической
батареей из хромель —копеля (10 спаев); 1 —калориметрическое тело;
2 — нихромовый нагреватель; 3 — термобатарея или термопара; 4 — мед-
ный термостатирующий цилиндр; 5 — вакуумный корпус; 6 — термостат
[50].
виях адиабатичность не удовлетворяется строго, поэтому в выра-
жение (XI 1.73) необходимо ввести член, учитывающий теплообмен,
а/?н ( 1 \
£ = — Vi’ '	<XIL74>
V + с/
т,	'	С
где х — теплопроводность системы. При t < погрешность измере-
С	С
ния составляет не более 1%, при	—— не	более 5%. Для
быстрого приведения прибора в исходное тепловое состояние исполь-
зован термоэлектрический холодильник.
516
Аналогичный интегрирующий преобразователь для слабых
токов [50] приведен на рис. XII. 55. В приборе использована более
эффективная тепловая изоляция нагревателя и термопары, позво-
ляющая исключить дополнительный нагреватель. Потери тепла
на излучение составляют не более 5 • 10”7Вт при разности темпера-
тур между корпусом и нагревателем 1 К; потери тепла по подводя-
щим проводникам термопары 1,5 • 10”6Вт, по проводникам нагре-
вателя 1 • 10“6 Вт. Параметры приборов приведены в табл. XII. 10.
Преобразователь может быть использован для измерения силы тока
50 мкА в частотном диапазоне до 10 МГц; постоянная времени при-
бора 5—10 с. Минимальное значение измеряемого тока с погреш-
ностью 20% равно 15 мкА.
Т а б л и ц а XII.10
Параметры преобразователя для интегрирования слабых токов [50]
Конструкция, рис. XII.55	Сопротивление, Ом		Ч ув ствительность			Постоянная времени,- с
	нагрева - теля	термоба- тареи	В/Дж	В/А при /=1 мА	В/Вт	
а	135	25	0,5	0,7	5,5	25
б	100	105	0,3	0,6	5,3	20
б	300	250	0,3	3,3	11	50
Импульсы тока такой частоты могут быть измерены и обычными
преобразователями, если в качестве регистрирующего прибора ис-
пользовать баллистический гальванометр. Необходимо только,
чтобы период собственных колебаний гальванометра был больше
суммарной длительности импульса измеряемого тока и постоянной
времени термопреобразователя [9].
15.	Применение преобразователей
на низких и инфранизких частотах
При измерениях на частотах ниже 0,5 Гц (0,1—0,01 Гц) кроме мер
по увеличению постоянной времени используются специальные
схемы включения преобразователей. На рис. XII. 56 приведена
[36] схема для измерения 90°- или 270°-ного сдвига фаз двух электри-
ческих колебаний. Для идентичных преобразователей подводимая
к измерительному прибору суммарная ЭДС Е = Лпр/2 не зависит
от времени. Отклонение от 90° сдвига фаз приводит к появлению
переменной составляющей тока. При сдвиге на 20' относительное
значение амплитуды переменной составляющей равно 0,6% зна-
чения суммарной ЭДС. На рис. XII. 57 приведена схема индикатора
синфазности двух электрических колебаний. Преобразователи тер-
мопарами включены навстречу друг другу; при равных токах и от-
сутствии сдвига фаз показания индикатора отсутствуют. В этой
схеме целесообразно использовать малоинерционные преобразо-
ватели.
517
Схема для измерения эффективных и амплитудных значений
токов инфранизкой частоты приведена на рис. XII. 58. Если в схеме
поддерживать сдвиг фаз между токами в нагревателях равным 90°,
то при равенстве токов в нагревателях показания выходного при-
бора пропорциональны квадратам амплитудных значений язмеря-
Рис. XI 1.56. Схема включения термопреобразователей для измерения
90°- или 270°-ного сдвига фаз на инфранизких частотах:
it = / sin Z8 == I sin (cof 4- 90°) [36].
Рис. XI 1.57. Схема включения преобразователей для индикации син-
фазности двух электрических сигналов на инфранизких частотах [36].
емого тока или напряжения. Необходимый сдвиг фаз 90° достига-
ется фазосдвигающим устройством. Измерительный прибор предва-
рительно градуируется на постоянном токе. Погрешности схем
(см. рис. XII. 56—XIL 58) в первую очередь зависят от идентич-
ности преобразователей, отклонений равенства токов в преобразо-
вателях, идентичности вольт-ампер-
ных характеристик, отклонения от
квадратичности преобразования.
Рис. XII.58. Схема для измерения амплитуды напряжения или тока
на инфранизких частотах:
ФВ фазосдвигающее устройство; Д сопротивления [36].
Рис. XII.59. Схема каскадного преобразователя для инфранизких
частот:
lt 2t ...» п — преобразователи; уи yt, ...•=₽ усилители [82].
Для измерений на инфранизких частотах предложен каскад-
ный преобразователь [82], содержащий ряд последовательно вклю-
ченных преобразователей и усилителей (рис. XII. 59). ТермоЭДС
каждого преобразователя содержит постоянную и переменные со-
ставляющие
Ef (/) =: Eoi + е1- sin 2 (о/ + ф),
(t) х= Е02 + е2~ sin 4 (at + <р),	(X11.75)
En(t) = Ew + еп~ sin 2п (at + q>),
518
откуда следует, что в каждом следующем преобразователе частота
переменной составляющей напряжения удваивается и, следователь-
но, улучшаются условия преобразования. По заданной погрешности
преобразования определяется количество каскадов. Каскадные пре-
образователи расширяют пределы измерений в сторону малыхчастот.
Методы измерений на основе термопреобразователей описаны
в работах [16, 26, 31, 38, 64, 67, 80], анализ погрешностей измери-
тельных приборов и устройств с преобразователями — в работах
[ 11, 14, 15, 17, 18, 20, 31, 33, 41, 44, 45, 115, 120]. Сведения об ис-
пользовании преобразователей приведены в работах [3, 6, 13, 21—23,
25, 27, 31, 32, 38, 39, 43, 45, 47, 48, 53, 55, 56, 62, 63, 70, 72, 74,
79—81, 83, 84, 87—89, 91, 92, 94—99, 101, 103—105, 110, 116, 117,
122, 124, 127, 128, 130].
§ 3. Многоэлементные преобразователи
1. Конструкции и параметры
Основные параметры преобразователей (квадратичность преобра-
зования, перегрузочная способность, стабильность во времени и в
динамическом диапазоне) существенно зависят от перепадов тем-
пературы в термопарах. При больших перепадах температуры
(150—200° С) параметры преобразователя ухудшаются, возраста-
ют погрешности преобразования - из-за температурных зависимос-
тей свойств материалов термопары и нагревателя, а также из-за
изменений условий теплообмена с окружающей средой. Наиболее
приемлемым является температурный режим, в котором максималь-
ные перепады температуры не превышают 10° С. В этих условиях
выходной сигнал около 10 мВ достигается при использовании много-
элементных преобразователей, содержащих несколько десятков
последовательно включенных термопар. Расположение спаев тер-
мопар по длине нагревателя позволяет уменьшить влияние асим-
метрии температурного поля, вызванной эффектами Пельтье и Том-
сона. При малых перепадах температуры существенно уменьшаются
и низкочастотные погрешности преобразователя. В ранних вариан-
тах многоэлеметных преобразователей использовались [12] после-
довательно соединенные термопары с расположенным под ними об-
щим нагревателем. В свою очередь нагреватель укреплялся между
пружинящими стойками, которые предохраняли его от провисания
при нагревании. Термопары изготовлялись из многократно про-
катанного бруска, спаянного из двух разнородных металлов. При
обработке прокатом в бруске частично нарушалась граница между
металлами, поэтому необходимо было применять широкие нагрева-
тели, что приводило к росту инерционности и снижению чувстви-
тельности. Эти недостатки были устранены в конструкции, где
термобатарея изготовлялась из сваренных хромелевых и копелевых
проволок, прокатанных для получения прямоугольного сечения
до размера 6,3 • 10“4мм2. Преобразователи с жестким креплением
термопар и нагревателя помещались в металлический корпус. Вы-
воды от термобатареи и нагревателя монтировались на октальный
цоколь радиолампы. Дальнейшее усовершенствование конструкции
привело к созданию преобразователей типа ТЭМ. Параметры
преобразователей этого типа приведены в табл. XII. 11. На преоб-
519
Таблица XII.ll
Параметры многоэлементных термопреобразователей ТЭМ [24]
Параметр	тэм-Ч тэм-з	ТЭМ-4		ТЭМ-	5
		I нагреватель	II нагреватель	I нагреватель	II нагреватель
Номинальный ток, мА Номинальная термоЭДС, мВ Сопротивление нагревателя, Ом Сопротивление изоляции (нагрева- тель — термопара), Ом Сопротивление термобатареи, Ом Емкость нагреватель—термопара, пФ Отклонение от квадратичности пре- образования, % Погрешность из-за асимметрии при постоянном токе, % Материал нагревателя Материал термопары Частотная погрешность, % Нестабильность во времени за 1 ч, % Температурная погрешность на 10° С, % Разработчик Примечание	30 14—15 11>5—12 1.109 105—115 1 10—12 0,03 0,02—0,002 Константан Хромель — копель 0,5-10~4 при /=20 кГц 0,05 0,5 ВНИИМ	30 14—15 11,5—12 ЫО9 105—115 10—12 0,003 0,03—0,01 Константан Хромель — копель 0,5-10~4 при /==20 кГц С двумя нагр	10 100 ыо9 10—12 10—12 Константан 0,05 0,5 ВНИИМ евателями	30 14—15 В,5—12 1 • 109 105—115 10—12 0,03 0,002—0,005 Константан Хромель — копель 0,5-10—4 при /=20 кГц С двумя наг	30 100 ыо9 10—12 Константан Хромель — копель 0,05 0,5 ВНИИМ ревателями
разователях получено отклонение от квадратичности преобразования
не более 0,01%. На тщательно подобранных преобразователях
погрешность асимметрии не превышает 0,002% [3]. Изменения ха-
рактеристик при измерениях через три месяца дали расхождения
не более ^=0,01% [19].
Для реализации метода равных температур разработаны пре-
образователи с двумя нагревателями. Данные о таких преобразо-
вателях [67] приведены в табл. XII. 12.
Та блица XII. 12
Параметры преобразователей для установки УВАФ-1 [22]
Параметр	С одним нагревателем	С двумя нагревате- лями
Номинальный ток нагрева- теля, мА основного	J	30	30
вспомогательного	—.	30
ТермоЭДС при номинальном	14—15	14—15
токе, мВ Сопротивление нагревате- лей, Ом основного	11,5-12	11,5-12
вспомогательного	—-	11,5—12
Сопротивление изоляции, Ом между основным нагре-	ыо9	ЫО9
вателем и термопарой между вспомогательным	—	ыо9
нагревателем и термо- парой Емкость между нагревате-	10	10
лем и термопарой, пФ, не более Отклонение вольт-амперной	0,03	0,03
характеристики от квад- ратичной, % Зависимость термоЭДС от	0,004	0,004
полярности постоянного тока, %, не более Инерционность, с, не более	0,3	0,3
Материал нагревателя	Константан	Константан
термопар	Хромель—копель	Хромель—копель
В работах [123, 126] сообщается о разработке многоэлементных
преобразователей в Национальной физической лаборатории Англии.
Отличительной особенностью этих преобразователей является при-
менение термоэлектрической батареи, изготовленной путем осаж-
дения меди на константановые проводники. Применена технология,
используемая в термоэлектрических приемниках излучения [129].
Методика изготовления показана на рис. XII. 60. Толщина покрытий
521
выбирается такой, чтобы несущественно сказывалась противоЭДС,
вызванная вихревыми токами, и минимально шунтировался тепло-
вой поток через термопары. Количество термопар 40—160, холодные
спаи расположены на медном блоке. Нагреватель бифилярный,
изготовлен из двух скрученных проводников длиной около 2,5 см.
Преобразователь помещается в стеклянную колбу и вакуумируется.
Эквивалентная схема преобразователя приведена на рис. XII. 61.
Из нее следует, что развиваемое термобатареей напряжение
(р \
“-“лгта)’	(XIL76)
Рис. XII.60. Стадии изготовления многоэлементного
термопреобразователя:
а — покрытие бакелитового каркаса 1 полистироловой плен-
кой толщиной « 0,25 мм; б крепление нагревателя 2 на по-
листироловую пленку и слюды 3 толщиной 0,025 мм; в — мон-
таж медного электрода 4 и намотка константановой спирали
5; г — электролитическое осаждение меди на участке 5, 7
спирали, растворение полистирола, освобождение спирали от
каркаса [126].
где а — термоЭДС пары медь—константан, 7УТЭ— количество эле-
ментов, А?1 —- перепад температуры между колодками и горячими
спаями.
Связь между развиваемым термобатареей напряжением и ко-
личеством элементов приведена на рис. XII. 62. Несущественное
возрастание напряжения при увеличении количества элементов
обусловлено одновременным уменьшением теплового' сопротивле-
ния батареи и, следовательно, перепада температуры.
Получены следующие характеристики преобразователей: тер-
моЭДС до 35 мВ/К, при нагреве спаев до 40° С выходное напряжение
достигает 100 мВ (батарея из 80 спаев). Изменение термоЭДС при
изменении направления тока не превышает 10"4%. Такая малая
погрешность объясняется тем, что спаи нагревателя с медными
проводниками расположены рядом и могут находиться в хорошем
тепловом контакте друг с другом, поэтому влияние эффекта Пельтье
на распределение температуры в нагревателе незначительно. Ос-
лаблено и влияние эффекта Томсона — проводники нагревателя
522
скручены, находятся в тепловом контакте, поэтому превышение
температуры в одном плече нагревателя компенсируется таким же
переохлаждением в другом. Время выхода в режим составляет
около 10 с, емкость между спаями и нагревателем 1—1,5 пФ, ем-
кость элементов по отношению к корпусу 15—20 пФ, номинальный
ток 30 мА. Частотные погрешности до 10 кГц не обнаружены.
1
Рис. XII.61. Эквивалентная схема термоэлектрической батареи с
гальваническим покрытием:
1 — нагреватель; 2 — холодильник; 3 — термобатарея; Rx — сопротивление кон-
стантановой ветви: R2, Rs— эквивалентные сопротивления константана и меди в
биметаллической ветви [126].
Рис. XII.62. Зависимость выходного сигнала многоэлементного пре-
образователя от количества термопар при различных токах через
нагреватель:
/, 2 — I = 50 мА; 3, 4 — 1—25 мА; 2, 4 — измерения в воздушной среде; 1, 3—
измерения в вакууме [126].
Рис. XII.63. Конструкция многоэлементного преобразователя с тер-
мобатареей, изготовленной гальваническим методом:
/ — нагреватель; 2 — термобатарея; 3, 4 — изоляционные переходы; 5 — осно-
вание; 6 — теплоотвод; 7 — прижимная планка [90].
Рис. XII.64. Дифференциальный многоэлементный преобразователь
с термобатареей из константана и гальванически осажденной меди:
1 — константановая ветвь; 2—медная ветвь; 3 —преобразователь в корпусе
[126].
523
Разновидности конструкций многоэлементных преобразователей
с термобатареями, изготовленными гальваническим покрытием [90],
приведены на рис. XII. 63, XII. 64. Конструкция двухэлементного
мембранного преобразователя'представлена на рис. XII. 65.
Улучшение характеристик воз-
душных многоэлементных преобра-
зователей достигается при изготовле-
Рис. XII.65. Схема мембранного тер-
мопреобразователя:
/, 3 — трубчатые токоподводы; 2 — мемб-
ранный нагреватель; 4 — платиновые тепло-
переходы; 5 электроизоляция и спаи тер-
мопар [84].
Свойства опытных многоэлементных преобразователей из
микропровода [24\
Ток нагрева- теля, мА	Термо- ЭДС, мВ	Сопротивле- ние нагрева- теля, Ом	Сопротивле- ние термо- пары, Ом	Материал нагревателя	Погреш- ность асим- метрии, %
5	15,45	482	500	Манганин	0,007
5	15,90 -	486	500	Н63ГХ	0,004
5	26,97	663	500	Н63ГХ	0,004
5	27,95	636	500	Н63ГХ	0,005
Параметры ряда исходных термопреобразователей [6]
Диапазон частот	Конструкция исходных преобразователей	Номинальное напряжение, В	Номиналь- ная сила тока, мА	
20 Гц — 100 кГц	Коаксиальная, с воз- душным бесконтакт- ным многоэлементным термопреобразователем и со сменными блока- ми резисторов	0,3 ’ 0,5 1 2 3 5 10 30 100 300	3 5 10 10 10 10 10 10 5 5	
524
нии нагревателя и термобатареи из микропровода [24]. Опытные
образцы таких преобразователей изготовлены из микропровода
в стеклянной изоляции: материал нагревателя — манганин и сплав
Н63ГХ, материал термопар — хромель и копель. Батарея содер-
жит 15—20 термопар. Монтаж" преобразователей произведен на
массивном медном основании, конструкция помещена в термо-
статированный герметичный корпус, ветви термопар соединены
конденсаторной сваркой, соединение нагревателя с термобатареей
произведено коллоидным серебром. Параметры преобразователей
приведены в табл. XII. 13.
ПО «Микропровод» разработаны преобразователи Т200 с одним
нагревателем и Т201 с двумя нагревателями; номинальный ток 30 мА,
сопротивление термопар 100—200 Ом, квадратичность 0,03%, диапазон
частот 40—20 000 Гц, термоЭДС 13,5—15 мВ, сопротивление нагре-
вателя Т201 — 15,5 ± 0,3 Ом, Т200 — 14,3 ± 0,3 Ом. Масса не более
140 г, диаметр 33 мм, высота 46 мм.
Таблица XII.13
Емкость между нагрева- телем и термо- парой, пФ	Нестабиль- ность во времени, %/ч	Изменение ЭДС при изменении температуры на 10° С, %	Сопротив- ление изо- ляции, Ом	Квадратич- ность преобразо- вания	Частотная погрешность при 20 кГц
10	0,003	0,5	1011	0,08	0,5-10~4
10	0,003	0,5	1011	0,07	0,5-10~4
10	0,001	0,8	1011	0,1	0,5-10~4
10	0,001	0,8	1011	0,1	0,5-10~4
Таблица XIL14
Х-арактеристика термопреобразователей при сопротивлении нагревателя 100 Ом			Добавочный резистор	
Нагреватель линейный	Термопара	ТермоЭДС, мВ	Сопротивле- ние, Ом	Материал
Нихром » » » » » » » » • »	Хромель — копель То же » » » » » » » » » » » » » »	1,5 4 15 15 15 15 15 15 15 15	100 200 400 900 3000 20 000 60 000	Манганиновый, микропровод
525
На основе многоэлементных преобразователей создан ряд по-
верочных измерительных установок [12, 22, 94, 126].
Воздушные термопреобразователи использованы и при создании
методов и средств обеспечения единства измерений напряжения
переменного тока — ряда исходных преобразователей [6]. Их свой-
ства приведены в табл. XII. 14. В низкочастотных исходных преоб-
разователях использованы термоэлектрические батареи из 40 термо-
элементов (хромель—копель) и ленточные нагреватели. Изоляция
между термоэлементами и нагревателем слюдяная. При номиналь-
ном токе 10 мА ЭДС батареи 14—15 мВ. Емкость между нагревате-
лем и термопарами 2—3 пФ, ошибка разнополярности тока не пре-
вышает 0,001 %, временная нестабильность не более 0,001%/ч.
Добавочные резисторы изготовлены из манганинового микропро-
вода в стеклянной изоляции. Погрешность преобразова1елей при
компарировании не превышает 3 • 10“?. На основе исходных пре-
образователей разработан специальный эталон для воспроизведения
и измерения напряжений переменного тока от 0,1 до 10 В. Исходные
преобразователи применялись при международных сличениях эта-
лонов напряжения переменного тока.
На основе термопреобразователей разработан государственный
эталон единицы напряжения переменного тока в диапазоне частот
от 20 до 3 • 107 Гц [6, 73]. Использованы специально созданные
преобразователи, изготовленные на основе многоэлементных термо-
преобразователей. В высокочастотном наборе использованы пре-
образователи типов ПНТЭ-1, ПНТЭ-2, в качестве преобразователей
1-го разряда — типов ПНТЭ-1-3, ПНТЭ-6, ПТЭК. Все преобразо-
ватели разработаны ВНИИМ.
2. Дифференциальные преобразователи
Применяются в схемах одновременного компарирования. Описа-
ние преобразователя приведено в работе [24]. Он содержит два
нагревателя из микропровода в стеклянной изоляции (материал
микропровода — сплав Н63ГХ). Сопротивление нагревателей 663
и 636 Ом. Термобатарея содержит 15—20 термопар из хромель-ко-
пелевого микропровода, развиваемая ЭДС при оптимальном токе
0,08 мВ. Погрешность разнополярности тока соответственно 0,004
и 0,005% для первого и второго нагревателей. Емкость между
нагревателем и термобатареей 10 пФ. Нестабильность во времени
за 8 ч работы составляет не более 0,001, изменение ЭДС при из-
менении температуры преобразователя на 10° С не превышает0,01 %,
сопротивление изоляции 10пОм, частотная погрешность на 20 кГц
не более 0,5 • 10“4%.
Многоэлементные воздушные преобразователи с медь-констан-
тановыми батареями изготовляются гальваническим покрытием
константана медью [126]. Схема преобразователя приведена на
рис. XII. 64, способ ее изготовления — на рис. XII. 60,
526
§ 4. Преобразователи
с полупроводниковыми термоэлементами
Одноэлементные вакуумные преобразователи наряду с достоинст-
вами — простотой конструкции и широким частотным диапазоном —
обладают и недостатками — малой перегрузочной способностью
и погрешностями из-за отклонений от квадратичности преобразо-
вания. Основной причиной погрешностей является большой перепад
температуры при работе преобразователя. Уменьшение перепада
в 10—20 раз достигнуто во многоэлементных преобразователях,
однако большие емкости между нагревателем и термобатареей не
позволяют их использовать при измерениях на высоких частотах.
Применение полупроводниковых термоэлементов при сохранении
достоинств одноэлементных преобразователей позволяет исполь-
зовать малые перепады температуры и совместить их с преимущест-
вами- многоэлементных преобразователей [114].’
Температурная стабильность термоэлектрических параметров
полупроводников достигается специальным легированием [7]. Из-
тоговлены вакуумные, газонаполненные и воздушные преобразо-
ватели в стеклянных и металлических корпусах. Сравнительная
характеристика преобразователей приведена в табл. XII. 15. Све-
дения о преобразователях приведены в табл. XII. 16 [27].
Таблица XII.16
Параметры полупроводниковых термоэлектрических преобразовате-
лей [27]
Тип преоб- разователя 		Номинальный ток, мА	Номинальная ЭДС, мВ	Сопротивле- ние, Ом, не более		Емкость между нагревателем и термопарой, пФ	Чувствитель- ность, В/Вт	Время установления режима,- с	Допустимая пе- регрузка, % но- минального тока
			нагре- вате- ля	тер- мопа- ры				
ТПБ-3	3	10	40	500	0,3—0,4	30	0,07—0,1	200
ТПБ-5	5	20	30	500	0,2—0,3	30	0,05—0,07	200
ТПВ-3	3	10	НО	300	0,8—1,0	10	3-4	400
ТПВ-5	5	10	50	300	0,8—1,0	10	3-4	400
ТПГ-1	1	10	200	500	0,3—0,4	50	2	250
ТПГ-3	3	20	50	500	0,3—0,4	50	2	250
ТПГ-5	5	30	25	500	0,3—0,4	50	2	250
На основе полупроводниковых термоэлементов Львовским за-
водом электроизмерительных приборов разработан дифференци-
альный преобразователь ДТП-480 [47]. Преобразователь конструк-
тивно оформлен в металлическом корпусе диаметром 16 мм и высо-
той 30 мм (с выводами 42 мм), масса 35 г. В приборе использован
корректор крутизны вольт-амперных характеристик по двум на-
гревателям, который позволяет сводить практически к нулю
527
Таблица XII.15
Основные параметры термопреобразователей с металлическими
и полупроводниковыми термопарами [5]
Тип термопреобразователя,- завод-изготовитель или фирма	Номиналь- ный ток, мА	Значение ЭДС при номи- нальной токе, мВ	Чувстви- тельность, В/Вт	Допусти- мая пере- грузка, % значе- ния номи- нального тока
Опытные термопреобразо- ватели, ВНИИМ	0,1	0,38	2,3	
Полупроводниковый термо- преобразователь, ЧГУ	0,1	2,5	100	500
ИФГ	0,5	5	2,8	—
Полупроводниковый термо- преобразователь, ЧГУ	0,5	10	50	450
ЕАВ	0,6	. 5	3,4	—
Полупроводниковый тер- мопреобразователь, США	0,72	10	0,806	450
i ТВБ-1, Московский элект- роламповый завод	1	2,5	4,1	150
«Hartman und Braun»	1	7	0,38*	150
Полупроводниковый термо- преобразователь, ЧГУ	1	15	50	450
ТВБ-2, Московский эле- ктроламповый завод	3	5	2,8	150
ТВБ-3, Московский элект- роламповый завод	5	10	2,6	150
Полупроводниковый тер- мопреобразователь, ЧГУ	3	20	30	450
«Siemens»	5	10	2,6	200
Полупроводниковый термо- преобразователь, США	4,39	10	0,96 ,	450
Полупроводниковый тер- мопреобразователь, ЧГУ	5	25	10	400
528
неидентичность выходных термоЭДС при любом значении тока через
нагреватели в диапазоне (0,1—- 1,0)/Л, где 1п — номинальный тою
через нагреватели. Сопротивления нагревателей 300—500 Ом; вы-
ходная термоЭДС при номинальном токе через один нагреватель
не менее 20—35 мВ; сопротивление термочувствительного элемента'
500 Ом; перегрузочная способность 250%; частотный диапазон
20 Гц — 200 кГц. Емкость между нагревателем и чувствительным
элементом составляет 1—2 пФ; сопротивление изоляции 100 МОм.
Неидентичность вольт-амперных характеристик (выходной термо-
ЭДС) по двум нагревателям 0,01—0,05% в динамическом диапазоне
токов, неидентичность термоЭДС в условиях коррекции практи-
чески равна нулю. Погрешность от направления постоянного тока
не превышает 0,02—0,005%; инерционность 3—5 с. Неидентичность
постоянных времени по нагревателям 0,1—0,5%. Чувствительность
2,0—2,5 В/Вт, 0,8—1,0 мВ/мА*.
§ 5. Преобразователи на растяжках
Эти преобразователи представляют собой измерительные устрой
ства, в которых нагреватели и термопары тем или иным способом
совмещены с рамкой приборов магнитоэлектрической системы. На
рис. XII. 66 приведена простейшая схема такого прибора [35].
Рис. XII.66. Усилитель с термоэлектрической батареей:
1 не гальванометр; 2 — термобатарея на стрелке гальванометра; 3—* нагреватели.
Рис. XIL67. Логомер с термоэлементами:
/ — рамка прибора магнитоэлектрической системы; 2 — дифференциальный тер-
моэлемент; 3, 4 — нагреватели [65].
На стрелке гальванометра установлена термоэлектрическая бата-
рея, изготовленная напылением на слюдяную подложку висмуто-
вых и сурьмянистых ветвей. Батарея обогревается двумя электри-
ческими нагревателями, расположенными неподвижно на небольших
расстояниях от спаев. Через растяжки она присоединена к изме-
рительному прибору. Таким устройством может быть достигнуто
усиление электрического сигнала, подведенного к гальванометру:
сигнал вызывает поворот рамки и одновременно перемещение бата-
реи к одному из нагревателей, что в свою очередь приводит к нару-
шению теплового равновесия и возникновению термоэлектричес-
кого тока, регистрируемого индикатором. Это же устройство при
замене упругих токоподводов безмоментными используется для
529
создания логомера [65]. Термобатарея в этом случае подключена к
рамке гальванометра (рис. XII. 67). Равновесие гальванометра
достигается при равных обогревах спаев термобатареи, т. е. при
равных действующих значениях тока через идентичные нагрева-
тели. Прибор может быть использован для одновременного компа-
рирования переменного и постоянного токов.
В термоэлектрических приборах мощность, развиваемая тер-
мопреобразователем, используется лишь частично, некоторая ее
часть теряется в токоподводах. В устройствах, приведенных на
рис. XII. 67 и XII. 68, большая часть электрической мощности
рассеивается, минуя термоэлементы. Для уменьшения этих потерь
и повышения чувствительности нагреватель и термопару размеща-
ют на подвижной части прибора магнитоэлектрической системы [51].
Переменный электрический
ток к нагревателю может под-
водиться и индукционным пу-
тем. Аналогичный по кон-
Рис. XI 1.68. Схема термоэлек-
трического прибора со встроен-
ным преобразователем:
1 —нагреватель; 2 —термопара; 3 —•
рамка измерз ельного прибора [51].
струкции магнитоэлектрический гальванометр-нагреватель для
воспроизведения выходного сигнала, пропорционального квадрату
одного из входных сигналов, предложен в работе [29].
ЛИТЕРАТУРА
1.	Авербух Д. С. О погрешностях термоэлектрических'амперметров' на высо-
кой частоте.— Изв. электропром-сти слабого тока, 1936, № 4, с. 28—35.
2.	Акнаев Р. Ф.< Березовский А. Б., Рождественская Т. Б. Состояние и пер-
спективы развития исходных методов и образцовой аппаратуры для изме-
рения действующего значения напряжения в широком диапазоне измеряе-
мых величин и частот.— В кн.: Науч.-техн. конф, по радиотехн. измере-
ниям. Новосибирск, 1969, т. 2, с. 135—152.
3.	Акнаев Р. Ф., Рождественская Т. Б. Новая аппаратура для измерения дей-
ствующего значения напряжения в широком диапазоне частот.— Измер.
техника, 1970, № 5, с. 55—59.
4.	Акнаев Р. Ф. Частотные погрешности коаксиальных термоэлектрических
преобразователей напряжения,—Тр. метрол. ин-тов СССР, 1971, вып. 115,
с. 148—153.
5.	Акнаев Р. Ф., Рождественская Т. Б. Анализ погрешностей, вносимых термо-
преобразователями при компарировании напряжений переменного и постоян-
ного токов.—Тр. метрол. ин-тов СССР, 1972, вып. 138, с. 46—57.
6.	Акнаев Р. Ф., Галахова О. П., Рождественская Т. Б. Методы и средства
обеспечения единства измерений напряжения переменного тока.— Измер. тех-
ника, 1976, № 4, с. 66—71.
7.	Анатычук Л. И., Андру сяк С. А., Боднару к В. И. и др. Применение полу-
проводниковых анизотропных кристаллов для электрических измерений.—
Измер. техника, 1972, № 2, с. 52—56.
8.	Анатычук Л. И., Боднарук В. И., Димитращук В. Т., Лусте О. Д. О воз-
можности управления температурной зависимостью параметров термоэлек-
трических преобразователей.—ИФЖ, 1976, 31, № 2, с. 300—305.
9.	Анашкин Н. Ф. А. с. 160761 (СССР). Способ измерения электрического то-
ка, напряжения или мощности, основанный на термоэлектрическом преоб-
разовании.« Опубл. 26.02.64.
530
10.	Бадинтер Е. Яч Геллер В. М.,- Любчак Т. A.f Cmapytu И. Г. А. "с. 453640
(СССР). Бесконтактный термопреобразователь для измерения тока.— Опубл.
15.12.74.
И. Безикович А. Я’ Термоэлектрический метод поверки ваттметров на перемен-
ном токе нормальной и повышенной частоты.— Тр. ВНИИМ, 1954, вып. 24,
с. 57-71.
12.	Безикович А. Яч Зорин Д. И. Установка для поверки ваттметров, ампер
метров и вольтметров на переменном токе нормальной и повышенной чаете
ты.—Тр. ин-тов Ком. стандартов СССР, 1956, вып. 28, с. 20—35.
13.	Безикович А. Яч Зорин Д. И. Многопредельные термоэлектрические при
боры повышенной точности для звукового диапазона частот.— Тр. ин-тоб
Ком. стандартов СССР, 1960, вып. 39, с. 119—129.
14.	Безикович А. ЯПопов В. С. Метод и аппаратура для подаерки ваттметров
в диапазоне звуковых частот.— Тр. ин-тов Ком. стандартов СССР, 1960,
вып. 39, с. 130—142.
15.	Безикович А. Яч Зорин Д. И. Термоэлектрический измеритель мощности
класса 0,1.—Тр. ин-тов Ком. стандартов СССР, 1962,- вып. 67, с. 39—49.
16.	Безикович А. Яч Зорин Д. И. Многопредельный прибор термоэлектрической
системы для измерения тока, напряжения и мощности.— Измер. техника,
1963, № 2,- с. 29—32.1
17.	Безикович А. Яч Зорин Д. И. Вольт-амперватт-метр для звуковых и ультра-
звуковых частот.— Тр. ин-тов Ком. стандартов СССР, 1963, вып. 74, с. 50—
66.
18.	Безикович А. Яч Беляева М. С., Зорин Д. И., Эскин С. П. Универсальная
установка повышенной точности для поверки амперметров, вольтметров
и ваттметров при частотах звукового диапазона.—Измер. техника, 1965,
№ 10, с. 8-11.
19.	Безикович А. Я•» Гравин О. Н. Исследование воздушных многоэлементных
термопреобразователей.— Тр. ин-тов Ком. стандартов СССР, 1965, вып. 82,
с. 112—116.
20.	Безикович А. Яч Шапиро Е. 3. Погрешности компарирования мощности,
вызываемые асимметрией, и пути их устранения.— Метрология, 1972, № 3,
с. 49—60.
21.	Безикович А. Я•, Шапиро Е. 3. А. с. 351171 (СССР). Термоэлектрический
компаратор активной мощности.—Опубл. 13.09.72.
22.	Беляева М. С., Галахова О. П., Короткова И. B.f Рождественская Т. Б.
Комплектная аппаратура для измерения и воспроизведения тока, напряже-
ния, мощности и коэффициента мощности в звуковом диапазоне частот.—Тр.
метрол. ин-тов СССР, 1968, вып. 98, с. 22—37.
23.	Беляева М. С., Галахова О. П., Короткова И. В. Термоэлектрический ком-
паратор типа КТЭМ-1 для измерения малых значений тока, напряжения и
мощности.—Тр. метрол. ин-тов СССР, 1971, вып. 115, с. 140—148.
24.	Беляева М. С., Веденеев С. А., Галахова О. П., Дранишникова Е. К. Много-
элементные термопреобразователи на основе микропровода.— Микропровод
и приборы сопротивления, 1971, вып. 8, с. 265—276.
25.	Белякова Г.М.,Бузинов В. C.f Мелехов М. Е.и др. Государственный специаль-
ный эталон единицы напряженности электрического поля в диапазоне частот
30—1000 Мгц.— Измер. техника, 1976, № 3, с. 46—47.
26.	Беспалов В. К. А. с. 382014 (СССР). Преобразователь напряжения перемен-
ного тока в постоянное.— Опубл. 22.05.73.
27.	Боднарук В. И. Полупроводниковые термоэлектрические преобразователи.—
ПТЭ, 1976, № 3, с. 277.
28.	Бузинов В. С., Белякова Г. М. Определение частотной погрешности термо-
преобразователей Типа ТВБ.—Измер. техника, 1965, № 11, с. 36—38.
29.	Булах Д. А., Гицу Д. В., Лахтман М. А. и др. А. с. 433406 (СССР). Маг-
нитоэлектрический гальванометр-преобразователь. — Опубл. 25.06.74.
30.	Виткевич В. В. А.с. 69079 (СССР). Термоэлектрический прибор для измере-
ния силы тока высокой частоты.— Опубл. 31.08.47.
31.	Галахова О. П., Рождественская Т. Б. Применение метода равных температур
в термоэлектрическом преобразователе мощности для поверки энергетических
фазометров.—Тр. ВНИИМ, 1959, вып. 38, с. 4.
32.	Галахова О. n.f Рождественская Т. Б. Применение термоэлектрических
компараторов для поверки компенсаторов переменного токачпри повышенных
частотах.—Тр. ин-тов Ком. стандартов СССР, 1963, вып. 74, с. 41—49.
33.	Галахова О. П., Беляева М. С. Об оценке угловой погрешности термоэлек-
трического преобразователя мощности.— Тр. метрол. ин-тов СССР, 1968,
вып. 98, с. 50—56.
34.	Голъфенштейн П. Н. Способ интегрирования тока путем измерения э. д. с.
термопреобразователя.—Измер. техника, 1970, № 12, с. 52—54.
35.	Городовский А. Ф. А. с. 100672 (СССР). Термоэлектрический измерительный
прибор.—Опубл. 07.09.53.
531
36.	Гравии О. Н., Галахова О. n.f Кол тик Е. Д. Применение термопреобразо-
вателей при инфранизких частотах.— Измер. техника, 1962, № 6, с. 31—34.
37.	Гравии О. Н. Особенности применения термокомпараторов на инфранизких
частотах.—Измер. техника, 1963, № 12, с. 34—37.
38.	Гравии О. Н. Термоэлектрический метод поверки амперметров, вольтметров
и ваттметров в диапазоне инфранизких частот.— Тр. метрол. ин-тов СССР,
1968, вып. 98, с. 38—49.
39.	Грещенко Е. В., Макушенко Н. Д., Туз Ю. М. Электронный милливольт-
метр действующих значений класса 1,5.—Контрол.-измер. техника, 1972#
№ 5, с. 28—30.
40.	Гринберг И. П., Лащук Е. Е. К вопросу об использовании кремниевых дио-
дов для защиты термопреобразователей от перегрузок.— Контрол.-измер.
техника, 1969, № 8, с. 94—96.
41.	Губарь В. И. Исследование погрешностей линейного преобразователя Эффек-
тивных значений напряжения.— Вести. Киев, политехи, ин-та. Сер, автома-
тики и электроприборостроения, 1972, № 9, с. 171—173.
42.	Дульнев Г. Н. Тепловой режим полупроводниковых термочувствительных
сопротивлений с косвенным подогревом.— Тр. ЛИТМО, 1954, вып. 12, с. 159 —
172.
43.	Загребельная А. Д., Синица В. И* Исследование динамических свойств пре-
образователей эффективных значений напряжения.— Вести. Киев, политехи,
ин-та. Сер. автоматики и электроприборостроения, 1972, № 9, с. 162—164.
44.	Зорин Д. Таубе Б. С. Анализ погрешностей автоматических компарато-
ров одновременного сравнения.—Тр. метрол. ин-тов СССР, 1968, вып. 98,
с. 57—65.
45.	Зорин Д. Ич Таубе Б. С. О построении автоматических компараторов одно-
временного сравнения.— Тр. метрол. ин-тов СССР, 1970, вып. 117, с. 5—11.
46.	Калинин В. И., Герштейн Г. М. Введение в радиофизику.— М.: Гостехиз-
~ дат, 1957.-660 с.
47.	Каталог. Изделия Львовского завода электроизмерительных приборов. Диф-
ференциальный полупроводниковый термопреобразователь ДТП-480.— Львов:
Облполиграфиздат, 1976.— 68 с.
43.	Каяндер М. С. Образцовый измерительный трансформатор тока для диа-
пазона частот 50—10 060 гц.—Тр. ВНИИМ, 1956, вып. 28, с. 36—49.
49.	Коваленко В. Ф. Основы теории термоэлемента.— ЖТФ, 1938, 8, Кг 15, с. 1311—
1325.
50.	Козырев Б. П., Шевелева Т. Ю. Термоэлектрический преобразователь для
интегрирования слабых токов.— Метрология, 1974, № 8, с. 25—28.
51.	Кольцов А. А., Степанян А. А. А. с. 111508 (СССР). Термоэлектрический
измерительный прибор.— Опубл. 20.05.57.
52.	Котельников Н. И. Автомат для защиты термопреобразователей.— Измер.
техника, 1971, № 5, с. 77.
53.	Котович А. А. Погрешности образцовых устройств для измерения напряжен-
ности поля в диапазоне частот 30—600 Мгц.— Измер. техника, 191)8, № 5,
с. 61-63.
54.	Кудрявцев В. И. А. с. 26359 (СССР). Описание термоэлемента.— Опубл.
01.05.32.
55.	Мелехов М. Е. Образцовая установка для воспроизведения магнитного поля
в диапазоне 0,010—30 Мгц.—В кн.: Метрология в радиоэлектронике. М.,
1971, с. 344.
56.	Мелехов М. Е. Измерительная антенна е запоминающим устройством.— Из-
мер. техника, 1975, № 1, с. 81—82.
57.	Мошкович С. М. А. с. 45973 (СССР). Описание вакуумного термоэлемента.—
- Опубл. 29.02.36.
58.	Найхович Р. Ф. А. с. 83601 (СССР). Термоэлектрический прибор.— Опубл.
26.05.49.
59.	Нейман Л. Р. Поверхностный эффект в ферромагнитных телах.—Л.; М.:
Госэнергоиздат, 1949.—190 с.
60.	Орнатский П. П. Применение термоэлектрических приборов на инфранизких
частотах.—Измер. техника, 1958, № 5, с. 44—46.
61.	Осипов Э. В. Исследование анизотропии термоэдс монокристаллов ZnSb и
2по>1Сс1о,08Ь? дис. канд. физ.-мат. наук.—Черновцы, 1967.—147 с.
62.	Пескин A. A.f Тавровский В. П. А. с. 175128 (СССР). Мостовой измеритель-
ный преобразователь переменного тока в постоянный.—Опубл. 21.09.65.
63.	Пирожков Н. В. А. с. 203062 (СССР). Устройство для поверки и градуиров-
ки приборов переменного тока.— Опубл. 28.09.67.
64.	Попов В. С. Измерение мощности способом равных температур.—Электри-
чество# 1958# № 9# с. 63—66.
65.	Попов В. С. А. с. 126946 (СССР). Термоэлектрический измерительный при-
бор.— Опубл. 12.02.59.
532
66.	Попов В. С. Термопреобразователи с двумя нагревателями в электроизмери
тельной и счетно-решающей технике. — Изв. АН СССР. Энергетика и авто-
матика, 1960, № 1, с. 138—143.
67.	Попов В. С. Статические преобразователи для точного измерения мощности.—
В кн.: Тр. конф, по автомат, контролю и методам электрич. измерений. Но-
восибирск: Изд-во СО АН СССР, 1961, с. 293—303.
68	Попов В. С. Металлические подогреваемые сопротивления в электроизмери-
тельной технике и автоматике.— М.; Л.: Наука, 1964.—228 с.
69.	Попов В. С. Электротепловые преобразователи в вычислительной технике.—
Киев: Техн1ка, 1971.—144 с.
70.	Рождественская Т. Б., Т еплинский А. М. Термоэлектрический компаратор
для измерения малых переменных токов и поверки микроамперметров.—
Измер. техника, 1960, № 11, с. 41—44.
71.	Рождественская Т. Б. Электрические компараторы для точных измерений
тока, напряжения и мощности.— М.: Стандартгиз, 1964.— 187 с.
72.	Рождественская Т. Б., Акнаев Р. Ф. Установка для поверки вольтметров
и измерения действующих значений напряжений.— Измер. техника,* 1970,
№ 6, с. 70. •
73.	Рождественская Т. Б., Акнаев Р. Ф.< Галахова О. П. Государственный
специальный эталон единицы напряжения переменного тока в диапазоне
частот 20—3-107 гц.— Измер. техника, 1976, № 3, с. 44—46.
74.	Ройтман М. С., Цибульский В. Р., Трофимов Г. П., Соколов А. В. Экспе-
риментальное определение погрешности перехода термо- и фотоэлектри-
ческих преобразователей.—Метрология, 1973, № 6, с. 71—80.
75.	Свиридовский И. С. Исследование температурной зависимости термопре-
образователей.—Тр. ВНИИ физ.-техн. и радио-техн, измерений, 1972,
вып. 6, с. 16—21.	;
76.	Свиридовский И. С., Лопань В. Р. Погрешность термопреобразователей,
обусловленная дополнительным подогревом термопары.—Измер. техника,
1975, № 1, с. 63-64.
77.	Теория, расчет и конструирование электроизмерительных приборов/Под общ.
ред. Н. Н. Пономарева’.— Л.: ОНТИ, 1943.—647 с.
78.	Теплинский А. М. Теоретические и экспериментальные исследования ме-
тодов точных измерений малых переменных токов: дис. канд. техн. наук.—
М„ 1961.-147 с.
79.	Точные электрические измерения/Под ред. Я- Н. Колли.—М.: Изд-₽о ино-
стр. лит., 1959.—422 с.
80.	Туз Ю. М., Серпилин К- Л., Гапченко Л. М. А. с. 228126 (СССР). Устрой-
ство для преобразования действующих значений переменного тока.—
Опубл. 08.10.68.
81.	Туз Ю. М. Исследование динамических свойств линейного преобразова-
теля эффективных значений переменного тока.— Вести. Киев, политехи
ин-та. Сер. автоматики и электроприборостроения, 1972, № 9/
с. 168—170.
82.	Фоменко В. И. Каскадный термопреобразователь напряжения инфразвуко.
вых частот в напряжение постоянного тока.— Метрология, 1974, № 11
с. 64—71.
83.	Червякова В. И. Термоприборы на растяжках.— Измер. техника, 1960, № 2,
с. 42—45.
84.	Червякова В. И. Термоэлектрические приборы.—М.; Лл Госэнергоиздат,
1963.—104 с.
85.	Черноморский И. Г. А., с. 54374 (СССР). Измерительное устройство.—
Опубл. 31.03.39.
86.	Чернышева В. В., Попов В. С. Погрешности газонаполненных термопре-
образователей на инфранизких частотах.— Измер. техника, 1966, № 11,
с. 60-63.
87.	Широков К- П. Комплектная установка для поверки амперметров и вольт-
метров при повышенной частоте переменного тока.—Тр. ВНИИМ, 1954,
вып. 24, с. 24—56.
88.	Шрамков А. Л- Измерительная установка для поверки цифровых вольт-
метров типа В 7—8 и ВК 7—10 А/1.—Контрол.-измер. техника, 1970, № 9,
с. 131—137.
89.	Accuracy of а. с. voltage measurements increased.—NBS Techn. News Bull.,
1967, 51, № 7, p. 130—131.
90.	Battean D. W. Пат. 3026363 (США). Thermal element for measuring true R.
M. S. of random signals.—Опубл. 20.03.62.
91.	Calhoun R. E. «UHF thermoelements».—Meas, and Data, 1968, 2, N 6, p. 67—
73.
92.	Colin YDavison C. J. Пат. 1102927 (Великобритания). Improvements in or
relating to voltage and current measuring instruments.— Опубл. 14.02.68.
93.	Colin Y. Пат. 1176182 (Великобритания). Improvements in or relating to ther-
mal-converters.— Опубл. 01.01.70.
633
94.	Cox L. G-, Kusters N. L. An automatic ac/dc RMS comporator.— In: CPEM-74
Dig. Conf. Precision Electromagn. Meas. London, 1974, p. 129—131.
95.	Duckworth J. I. Пат. 3518525 (CIIIA). System providing a DC voltage equal
to the RMS value of an unknown AC voltage.—Опубл. 30.06.70.
96.	Effektivwert-Sparmungsmesser.— Electro-techn., 1966, N 48, p. 83—84.
97.	Fraenkel H. Komparator pradu statego i zmiennego przyrzqd najwyzszej dok-
ladnosci do pomiaru pradu zmiennego.— Pomiary automat, kontr., 1959, N 5,
S. 63—67.
98.	Goodwin W. N. The compensated thermocouple ammeter.— Trans. AIEE, 1936,
55, № 1/12, p. 23—33.
99.	Hagan W. A. A 0,1% thermal wattmeter to 20 kHz.—In: 20th Ann. ISA
Conf. Proc. Los Angeles, 1965,- 20, pt 1. Pittsburg, Pa, 1965, N 14, 1/4,
p. 1—9.
100.	Hermach F..L. Thermal converters as dc/ac transfer standards for current
and voltage measurements at audio frequencies.— J. Res. Nat. Bur. Stand.,
1952, 48, N 2, p. 121—138.
101.	Hermach F.L. AC-DC transfer instruments for current and voltage measure-
ments.— IRE Trans. Instr., 1958, 1/7, N 3/4, p. 235-240.
102.	Hermach F. L. The definition and measurement of the time constant and
response time of thermal converters.— AIEE J. Commun. and Electron., 1958,
N 37, p. 277-283.
103.	Hermach F. L.f Griffin J. E., Williams E. S. A system for accurate direct
and alternating voltage measurements.—IEEE Trans. Instrum., and Meas.,
1965, 14, N 4, p. 215—224.
104.	Hermach F. L., Williams E. S, Thermal converters for audio-frequency vol-
tage measurements of high accuracy.— IEEE Trans. Instrum, and Meas.,
1966, 15, N 4, p. 260—268.
105.	Hermach F. L. AC-DC comparators for audio-frequency current and voltage
measurements of high accuracy.— IEEE Trans. Instrum, and Meas., 1976,
25, N 4, p. 489—494.
106.	Hill J. J. A precision thermoelectric wattmeter for power and audio fre-
quencies. Pt B.—Proc. IEE 1958, 105, N 19, p. 61—86.
107.	Gay F. M. Пат. 1072811 (Великобритания). Thermocouple device for current
measurement.—Опубл. 21.06.67.
108.	Gay F. M. Пат. 3477880 (CHIA). Thermocouple device for current measure-
ment.— Опубл. 11.11.69.
109.	Gay F. M. Пат. 1248400 (Великобритания). Improved thermal converters.—
Опубл. 29.09.71.
110.	German M. Thermischer Prazisionsmultiplizierer mit directer Zeitversch-
liisselung der Ausgangsgrdsse.— In: Mesucora Congr. Int., Sess. 4—5. Paris,
1973, p. 2/1—2/10.
111.	John R., Stollery W. Пат. 1265822 (Великобритания). Improvements in or
relating to thermocouples.— Опубл. 08.03.72.
112.	John R., Stollery W.,- Stollery D. Пат. 1162631 (Великобритания). Improve-
ments in or relating to thermal converters.— Опубл. 27.08.69.	,
113.	Langbein R., Werkmelster G- Elektrische Messgerate. Genauigkeit und Einfluss-
grossen.—3 Aufl.—Leipzig: Acad. Verl.—Ges. Geest & Portig, 1959,—
251 S.
114.	Lederman A., Lydon F. А. Пат. 3533855 (CHIA). Electrical measurement de-
vices.— Опубл. 13.10.70.
115.	Martin J. W. Error analysis in measuring RMS voltages.—Electro-Technol.,
1965, 75, N 4, p. 38—41. .
116.	Morley L. J. Пат. 3128428 (США). High frequency thermocouple voltmeter.—
Опубл. 07.04.64.
117.	Richman P. Modern AC voltage calibration of audio and sub-audiofrequen-
cies.— In: 19th Ann. ISA Conf. Proc. New York, 1964, 19, N 21, pt 1, p. 1 —
12.
118.	Richman P. Пат. 3521164 (США). RMS voltage measuring apparatus.—Опубл.
21.07.70.
119.	Rupert L. G. Пат. 1097695 (Великобритания). Improvements in or relating
to thermal converters.—Опубл. 03.01.68.
120.	Russel В. H. Thermoelement transfer.— Inst, and Control Syst., 1963, 36,
N 1, p. 74-77.
121.	Stack S. S. Пат. 2177502 (США). Electrical device and method of fabrica-
ting the same.— Опубл. 24.10.39.
122.	Stanek J. Technlk elektrischer Messgerate.— Berlin: Technik, 1957,— 498 S.
123.	Turgel R. S. A comparator for thermal ac-dc transfer standards.— In: 21th
Ann. ISA Conf. Proc. New York, 1966, 2Ц pt 1, p. 1—10.
124.	Walter L. An integrated systema approach to a precise low frequency capa-
bility: Instrum. Soc. Amer. Prepr. 1967, N — Testing, 5/3, p. 11.
534
125.	Widdis F. C. The theory of Peltier and Thomson-effect errors in thermal
ac-dc transfer devices.—Proc. IEE C, 1962, 109, N 15/16, p. 328—334.
126.	Wilkins F. J., Deacon T. A.t Becker R. S. Multi junction thermal converter
as accurate dc/ac transfer instrument.-— Proc. IEE, 1965, 112,- N 4, p. 794 —
805.
127.	Williams E. S. A voltage converter for a new era.— Meas, and Data# 1968,
2, N 6, p. 75—79.
128.	Williams E. S. Thermal voltage converters and comparator for very accura-
te a. c. voltage measurements.—J. Res. Nat. Bur. Stand. C, 1971,^ 75, N 3/4,
p. 145—154.
129.	Wilson W. H., Epps T. D. The construction of thermocouples by electro,
deposition.—Proc. Phys. Soc., 1920, N 32, p. 326—340.
130.	Witt C.f Stamper D- Пат 3258691 (США). Thermal converter with compen-
sation for thermal reverse D. C. current error.—Опубл. 28.06.66.
Глава XIII. МИКРОКАЛОРИМЕТРЫ
§ 1. Общая характеристика
микрокалориметров
£ микрокалориметрам относят приборы для измерения малых ко-
личеств тепла, возникающего в замкнутых объемах (реакционных
камерах). Большинство физико-химических и биологических про-
цессов сопровождается тепловыми эффектами, изучение которых
доставляет фундаментальную информацию о характере протекаю-
цего в системе преобразования энергии. Изучение таких процессов
калориметрическим методом позволяет получить достаточно пол-
ные сведения о выделении или поглощении тепла, что в совокупнос-
ти с другими методами измерений дает возможность детально опи-
рать свойства системы. Микрокалориметры широко применяются
j практике научных исследований и промышленного анализа. Они
^пользуются для определения теплот растворения металлов и об-
)азования металлических и полупроводниковых сплавов, образо-
вания и релаксацйи дефектов, фазовых превращений в твердом и
кидком состояниях, внутреннего трения, радиоактивного распада;
[ля измерения теплот реакций сгорания, восстановления, обра-
ования комплексов, определения констант равновесия; для изу-
ения взаимодействий газ — твердое вещество, жидкость — твердое
1ещество; для измерения теплот гидратации, растворения, адсорб-
:ии; для измерения теплотворных способностей, энтальпии, тепло-
мкости, температуропроводности, теплопроводности; для иссле-
ования термогенеза микроорганизмов, обмена веществ отдельных
рганов, организмов и др.
1. Классификация микрокалориметров
1о тепловым условиям измерений и взаимодействия реакционной
амеры с внешней средой микрокалориметры разделяют на адиаба-
ические, кондуктивные, изотермические и проточные.
Типичные модели микрокалориметров изображены на
ис. XIII. 1. В адиабатическом,микрокалориметре теплообмен реак-
ионной камеры с окружающей средой минимален; количество вы-
елившегося или поглотившегося тепла Q определяется по измене-
ию температуры ДТ реакционной камеры при известной теплоем-
ости исследуемого вещества:
Q = CAT.	(XIII. 1)
36
Такой прибор является интегратором. При известной зависимости
ДТ(/) от времени может быть найдена и мощность тепловыделения
dQ
Wq~~ dt '
(XIII.2)
Для уменьшения потерь тепла используются адиабатические обо-
лочки (экраны), температура которых автоматически поддержива-
ется равной температуре реак-
ционной камеры (рис. XIII. 2).
На экране установлен электри-
ческий нагреватель, мощность
Рис. XIII. 1. Модели микрокалориметров:
а — адиабатический; б — кондуктивный; в — проточный; г изотермический;
/—исследуемое вещество; 2 — реакционная камера; 3 — теплоизоляция; 4 —
вещество с известной теплопроводностью; 5 — термостат; 6 — расходомер; 7 —
обменная камера; 8 — вещество с известной скрытой теплотой плавления.
Рис. XIII.2. Схема адиабатического микрокалориметра:
/ — реакционная камера; 2 — терморезистор для регистрации температуры ре-
акционной камеры; 3 — термоэлектрическая батарея — индикатор разности тем-
ператур между адиабатическим экраном и реакционной камерой; 4 — термоста-
тированный блок; 5—адиабатический экран; 6 — нагреватель адиабатического
экрана; 7 — усилитель; 8—нагреватель для градуировки микрокалориметра;
9 термобатарея для регистрации температуры реакционной камеры.
которого управляется усилителем с датчиком разности температур
между реакционной камерой и экраном. Для процессов, приводящих
к снижению температуры реакционной камеры, соответствующее
сниженйе температуры экрана может достигаться при замене нагре-
вателя термоэлектрической охлаждающей батареей. Изменения тем-
пературы реакционной камеры определяются дополнительными
термисторными или термопарными датчиками.^
Уменьшение влияния внешних температурных воздействии на
точность измерения достигается применением дифференциальных
схем с двумя идентичными камерами, в одну из которых помещается
измеряемое вещество, во вторую — эталонное. Вариант схемы та-
кого устройства приведен на рис. XIII. 3. Возникновение теплового
эффекта создает между камерами разность температур, которая
фиксируется батареей термопар. Значение эффекта определяется
по тепловой мощности, развиваемой нагревателем одной из камер,
необходимой для компенсации перепадов температуры между ка-
R
мерами. Если тепловой эффект приводит к охлаждению реакционной
камеры, то его компенсация достигается нагревателем,вмонтиро-
ванным в этой камере.
В кондуктивных микрокалориметрах между реакционной ка-
мерой и термостатом размещены вещество или элементы с извест-
ной теплопроводностью х*. Чаще всего между ними размещаются
датчики разности температур, равномерно охватывающие реакци-
онную камеру. Теплопроводность датчиков относительно велика,
поэтому режим работы кондуктивных микрокалориметров близок
Рис. XII 1.3. Схема дифференциального адиабатического микрокало-
риметра:
/, 14 — реакционные камеры; 2t 12 — нагреватели для компенсации разности
температур между камерами; 3i 11 «— датчики температуры; 4 —* измеритель то-
ка компенсации; 5 —усилитель; 6 —нагреватель адиабатического экрана; 7 —
термобатарея, фиксирующая разность температур между камерами; 8 — термо-
регулятор; 9 — термоэлектрическая батарея для регистрации температуры меж-
ду экраном и камерой; 10—адиабатический экран; 13—эталонное вещество;
15 — термостатированный блок; 16—нагреватели, вадающие темп разогрева
микрокалориметра; 17 — исследуемое вещество.
Рис. XIII.4. Схема кондуктивного дифференциального калориметра:
1 — реакционная камера; 2 — термостатированный блок; 3 —. дифференциально
включенные термоэлектрические батареи; 4, 5 — нагреватели для градуировки.
к изотермическому. Количество тепла, выделяющееся в единицу
времени, определяется при измерении перепада температуры ДТ
между реакционной камерой и термостатом:
и>7 = х*ДТ.	- (XIII.3)
Такой прибор является микрокалориметром-осциллографом. Полное
количество тепла, выделившееся при реакции за промежуток вре-
мени t2— tf, находится интегрированием:
/г
Q=\wq(t)dt.	(XIII.4)
ti	1
В кондуктивных микрокалориметрах для уменьшения влияния
искажающих внешних тепловых воздействий также применяются
дифференциальные схемы с двумя идентичными измерительными
638
ячейками, вмонтированными в единый термостатированный блок
(рис. XIII. 4). Термодатчики термобатареи ячеек включены на-
встречу друг другу. Внешние тепловые возмущения, приводящие
к изменению температуры блока, создают в термодатчиках равные
по значению сигналы, которые измерительным приборОхМ не per ист*
рируются. Исследуемый тепловой эффект при этом измеряется обыч-
ным путем.
В изотермическом микрокалориметре (см. рис. XIII. 1) тем-
пература оболочки реакционной камеры при измерениях поддер-
живается неизменной. В простейшем случае изотермичность дости-
гается поглощением тепла при фазовом переходе, например при
таянии льда. О количестве выделившегося тепла судят по коли-
честву расплавившегося вещества тъ при известной скрытой тепло-
те плавления ^с:
Q — 4cmB-	(XIII.5)
Таким микрокалориметром определяется только интегральное
количество тепла при фиксированных температурах. Его точность,
как правило, не очень высока, поэтому метод в микрокалориметрии
не нашел широкого применение
Более универсальными являются приборы, в которых для
сохранения условий изотермичности использован эффект Пельтье.
Схема такого дифференциального микрокалориметра-осциллографа
приведена на рис. XIII. 5. Он содержит две калориметрические
ячейки с реакционными камерами и термоэлектрическими батареями.
В каждой ячейке вмонтирова-
ны две термоэлектрические ба-
тареи, одна из которых исполь-
зуется для измерения тепло-
Рис. XII 1.5. Схема дифферен-
циального изотермического мик-
рокалориметра с термопарными
датчиками:
1 — реакционная камера; 2 — диффе-
ренциально включенные термоэлектг
рические батареи; 3 — термостати-
рованный блок; 4, 9 — термобатареи
для эффекта Пельтье; 5, 6 — нагре-
ватели для градуировки; 7 — усили-
тель; 8 — измеритель тока Пельтье.
вого потока, другая —для его компенсации эффектом Пельтье. Для
уменьшения влияния внешних тепловых воздействий применяется
дифференциальное включение измерительных батарей. Изотермич-
ность условий измерения достигается как применением батарей
большой теплопроводности, так и введением обратной связи между
измерительной батареей и батареей, выделяющей или поглощающей
тепло Пельтье. Регистрация теплового потока в этом случае произ-
водится по току, вызывающему эффект Пельтье. Прибор предвари-
тельно градуируется нагревателями. Точность удовлетворения ус-
ловиям изотермичности при использовании эффекта Пельтье дос-
тигает 10“?К- Применение эффекта Пельтье позволяет также рас-
ширить динамический диапазон до 10§.
539
В проточном микрокалориметре (см. рис. XIII. 1) тепловая
мощность определяется при известной массе газа^пли жидкости,
уносящей тепло из реакционной камеры, удельной теплоемкости
газа или жидкости с и степени их разогрева или охлаждения при
теплообмене:
*=/ивс AT.	(XIII.6)
Полное количество тепла определяется также интегрированием по
формуле (XIII. 4).
В приведенных моделях удовлетворение условиям изотермич-
ности или адиабатичности измерений в значительной мере зависит
от конструкции микрокалориметров и от тепловых свойств исполь-
зуемых материалов.
Кроме различия по тепловым режимам микрокалориметры от-
личаются:
по числу измерительных ячеек или камер (однокамерные, двух-
камерные дифференциальные и многокамерные);
по датчикам теплового потока или температуры (термопарные,
с вихревыми термоэлементами, комбинированные, например термо-
парные с пироэлектрическим датчиком, термопарные с термометром
сопротивления, и др.);
по материалу термоэлементов (полупроводники, металлы,
полуметаллы);
по количеству термоэлементов в ячейке (одноэлементные и много-
элементные);
по конфигурации реакционных камер (цилиндрические, плоские,
прямоугольные и др.);
по рабочему интервалу температур (низкотемпературные —
обычно ниже 300 К; среднетемпературные — 300—1000 К; высоко-
температурные — выше 1000 К); встречаются конструкции с рас-
ширенным диапазоном;
по областям применения (универсальные, специального назна-
чения).
2. Параметры микрокалориметров
До настоящего времени нет единого подхода к описанию свойств
микрокалориметров. В различных работах для этой цели исполь-
зуют различные параметры. Ниже рассмотрены наиболее широко
используемые.
Чувствительность. Для описания микрокалориметров чаще
всего используются- три параметра чувствительности: вольтовая,
или вольт-ваттная, So, равная развиваемой термоэлементом ЭДС
при выделении в реакционной камере единицы тепловой мощности
(В/Вт), токовая Кп, равная току в цепи термоэлемента при выделении
в реакционной камере единицы тепловой мощности (A/Вт), токовая
А^в режиме компенсации эффектом Пельтье (A/Вт). При исполь-
зовании токовой чувствительности предполагается, что термоэле-
мент подключен к нагрузке, близкой по значению к внутреннему
сопротивлению элемента г. Иногда чувствительность определена
в кал/(ч • мм) и соответствует мощности, приводящей к отклонению
по шкале гальванометра на одно деление. При использовании бал-
листического гальванометра в качестве интегрирующего измери-
540
тельного устройства чувствительность определяется в калориях на
миллиметр и равна количеству тепла, выделившегося в реакцион-
ной камере, приводящему к отклонению на единицу показания по
шкале гальванометра. Для нахождения So или Кп в этих случаях
необходимо иметь сведения об измерительных приборах.
В дальнейшем в качестве основного параметра чувствительнос-
ти микрокалориметров, как и других термоэлектрических приборов
(преобразователей, приемников излучения), использована вольто-
вая чувствительность.
Порог чувствительности по мощности и энергии (&’О, Ео). Порог
чувствительности по мощности (Вт) — минимальное значение мощ-
ности, вызывающее в датчике термоЭДС, равную ЭДС шумов микро-
калориметра. При мощности, равной пороговой, относительная
погрешность измерения 100%. Этот параметр называют также по-
рогом обнаружения, чувствительностью по мощности, пороговой
мощностью, минимально обнаруживаемой мощностью. Порог чувст-
вительности иногда относят к единице объема реакционной камеры
(Вт/см3). Аналогично определяется порог чувствительности по
энергии.'Необходимо иметь в виду, что этими параметрами не ха-
рактеризуются предельные возможности обнаружения идеального
микрокалориметра. Порог чувствительности в различных режимах
работы (измерение термоЭДС, тока, компенсация эффектом Пельтье)
может быть различным.
Динамический диапазон — это отношение максимальной мощ-
ности, при которой сохраняются с заданной точностью параметры
микрокалориметра, к минимальной обнаруживаемой мощности.
Динамический диапазон иногда определяется минимальными и мак-
симальными значениями интервала измеряемых мощностей или
энергий.
Инерционность определяется постоянными времени (т, с) в
различных условиях измерений: при незагруженной реакционной
камере, при камере, загруженной исследуемым веществом или
водой, в режиме компенсации эффектом Пельтье.
Рабочий интервал температур — основной и расширенный.
Объем реакционных камер, см3.
Сопротивление термобатареи г, Ом.
Кроме рассмотренных основных параметров иногда приводятся
минимально регистрируемый термобатареей перепад температуры,
воспроизводимость измерений, стабильность при заданной темпе-
ратуре, уровень максимально измеряемой мгновенной энергии, кон-
станта Пельтье (Вт/А), относительные и абсолютные погрешности
измерений и др.
§ 2. Кондуктивные микрокалориметры
с термопарными элементами
1. Расчет термоэлектрических датчиков
Чувствительность. Токовая чувствительность датчика, состоящего
из А^тэ последовательно включенных термопар [41], определяется
как
(XIII.7)
541
где / — ток в цепи датчика, w — тепловая мощность, развиваю-
щаяся в реакционной камере. Ток определяется из закона Ома для
полной цепи:
а АТ
1 =:---------П------Г\ ’	<хш-8)
\^рХ C’2S2/
где а — (ах— а2) — термоЭДС термопары, ах и а2 — термоЭДС
ветвей, АТ— перепад температуры между спаями у реакционной
камеры и термостатированного блока, I — длина ветвей термопар,
sx и s2 — площадь поперечного сечения ветвей, Ох и а2 — электро-
проводности материалов термопар.
Тепло, выделяющееся (или поглощающееся) в реакционной
камере, переносится по ветвям термопары к термостатированному
блоку; часть его передается блоку, минуя термобатарею, конвектив-
ным и лучистым теплообменом, а также элементами конструкции
измерительной ячейки, часть поглощается на спаях эффектом
Пельтье. Таким образом, тепловая мощность
A7WT~
(xisi + х25г) —j----F vK AT + П/2УТЭ, (XIII.9)
где хх и и2 — коэффициенты теплопроводности ветвей, vK — коэффи-
циент, учитывающий потери тепла. Из (XIII.7) — (XIII.9) токовая
чувствительность <
кп ~.	(XIII. 10)
ПаЛЛгэ +	+ -Г х‘о) + Zao)
где
*	/	, ч •	/ 1	,	1 \
х0 = OMi + z2s2),	о0 = — + —- .
yOxsx O2s2 /
Оптимальное количество термопар, соответствующее максимальной
чувствительности, определяется из условия dK^ldN^ = 0:
^э=1/ Г? „•	(XIII.11)
V Хосто + аП
Если поглощение тепла эффектом Пельтье незначительно, фор-
мула (XIII. 11) упрощается:
/ rv
^-=1/-^.	(XIII. 12)
Г Х0а0
Аналогично из (XIII. 10) определены оптимальные геометрические раз-
меры термопар:
/опт = 1/	(хш.13)
Г <^oVK
542
Из (XIII. 12) и (XIII. 13) следует
№пт
'тэ
1опт
Для выбранных оптимальных ( и Л'тэ
s°nT = I
«20пт = I
(XIII. 14)
(XIII.15)
(XIII.16)
(XIII.17)
(XIII.18)
Для двух идентичных дифференциально включенных термобатарей фор-
мулы (ХШ.Ю) — (XIII.18) принимают вид
Дп -------------------------Г----------------------, (ХП1.19)
2У тэПа + -г— + —° + 2a0/vK + 2Мтэо0х0
/утэ z
^пт=1/ 2Х	(XIII.20)
тэ |/ 20qXq
/опт=1/	(XIII.21)
F 2<r’vK’
5опт = z у, sonT = 1 1/^ 2Vr . 2	1 or2rx2	(XIII.22) (XIII.23)
Из (XIII. 19) — (XIII. 23) записывается выражение для максималь-
ной чувствительности
макс
_________________а__________________
2ЛГтэПа + 4 /2	+ l/g
(XIII.24)
Максимальная чувствительность достигается, когда сопротивление
термобатарей равно внутреннему сопротивлению измерительного
543
прибора (гальванометра) и тепловой питок через термобатарею ра-
вен всем другим тепловым потерям в измерительной ячейке.
Выражение (XIII. 24) можно упростить, если пренебречь эф-
фектом Пельтье как величиной малой, и принять о2 и х2,
что достаточно точно удовлетворяется при использовании полупро-
водниковых термобатарей. В этом случае
=	 (XIII.25)
8 У "к
где Z — термоэлектрическая добротность материала термобатареи.
Из (XIII. 25) следует, что при использовании материалов с боль-
шей термоэлектрической добротностью чувствительность возрастает;
последнее достигается при использовании полупроводниковых ма-
териалов.
Вольт-ваттная чувствительность легко определяется из токо-
вой, если пренебречь эффектом Пельтье. Это условие реализуется
в режиме компенсационных измерений, когда ток через батарею
не протекает, в этом случае
So = 2/7(п.	(XIII.26)
Минимальные, обнаруживаемые мощности микрокалориметров,
как и других термоэлектрических измерительных приборов, огра-
ничиваются флуктуационными шумами. Однако вопросу исследо-
вания шумов микрокалориметров до настоящего времени не уделено
должного внимания. Расчет шумов для упрощенных моделей рас-
смотрен в работах 146—48, 112, 157].Приведенные ниже соотношения
основаны на этих работах.
В упрощенной модели калориметра температура термостати-
рованной оболочки предполагается постоянной, теплоемкость реак-
ционной камеры пренебрежимо мала, тепловыми потерями на пере-
ходах пренебрегается. В камере помещен образец с достаточно боль-
шой теплопроводностью, чтобы перепадами температуры в нем
можно было пренебречь. Теплоемкость образца С. Между реакцион-
ной камерой и термостатом расположена термобатарея. Образец ге-
нерирует тепловую мощность wq, которая в стационарных условиях
вызывает в датчике перепад температуры
ДТ = —ч.	.	(XIII.27)
хБ
Если предположить, что единственным источником шумов является
температурный шум, то мощность оуо, эквивалентная шуму,
w* = 460Пхб ДА	(XIII.28)
где k0 — постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура,
А/ — полоса пропускания системы, измеряющей АТ. Предпола-
гается также, что измерительная система не вносит вклада в шумы.
В этом случае мощность, эквивалентная шуму, определяется как
тепловая мощность в реакционной камере, которая соответствует
544
среднему квадрату шума на выходе датчика. Эту величину назы
вают минимальной обнаруживаемой мощностью.
Для описания микрокалориметров более удобно вместо Л/ ис-
пользовать период колебания Ыг измерительного прибора (гальва-
нометра). Для согласованного измерительного прибора
Д^ = Щ?	(XIII.29)
(XIII.30)
(XIII.31)
(XIII.32)
С учетом постоянной времени калориметра т = С/хБ
Так как величины т и Д/г должны быть соизмеримь
для 300 К
2	3,9 • 10~18С
до =-----------.
0
где размерность С — Дж/К, т —• с, до0 — Вт.
Аналогичные выкладки для минимально обнаруживаемой
энергии Eq идеального калориметра приводят к выражению
Е2 = nk0T?C.	(ХШ.ЗЗ)
Значения минимальных обнаруживаемых мощности и энергии,
полученные для модели идеального калориметра, являются тем
пределом, к которому следует стремиться при построении высоко-
чувствительных микрокалориметров. Для описания приближения
к идеальной модели используют коэффициент добротности микро-
калориметра Мд, равный отношению минимальной обнаружива-
емой мощности микрокалориметра к минимальной обнаруживаемой
мощности wp изготовленного прибора:
Мд = до0/шр,	(XIIL34)
где шр — минимальный обнаруживаемый сигнал реального микрокало-
риметра.
Анализ многочисленных вариантов конструкций микрокало-
риметров показывает, что коэффициент добротности Мд не превы-
шает 10"4, т. е. конструкции микрокалориметров по разрешающей
способности даледи от совершенства.
Минимальные обнаруживаемые мощности для реальной мо-
дели микрокалориметра. Для расчета использована эквивалентная
модель, приведенная на рис. XIII. 6, где хБ— как и ранее, тепло-
проводность термобатареи, хи—теплопроводность изоляции между
батареей и реакционной камерой и между батареей и термостати-
рованной .оболочкой, хк обусловлена переносом тепла по элементам
конструкции, конвективным теплообменом и излучением, С «— теп-
18 9-413	545 '
лоемкость измеряемого объекта (образца), Ск=-теплоемкость кон-
тейнера.
В реакционной камере выделяется тепловая мощность wqi соз-
дающая перепад температуры между камерой и термостатом А То»
между спаями термобатареи ДТБ. Из эквивалентной схемы следует,
что перепад температуры в датчике
Wa 1
ДТ- = -,
Б *Б 1 + *К/ХБ
(XIII.35)
постоянная времени
С	7	Ск\
т = ——-------L----------	(1 + ~ . (XII 1.36)
ХБ U + Хк/ХБ — хб/Хи) \	/
Хк ХБ
В (XIII.36) членами второго порядка по— и — пренебрегается. Пол-
ХБ Хи
ный шум микрокалориметра содержит температурный- шум и шум
Джонсона wf.
4 =	< = w* о +	(XII 1.37)
Первый множитель в (XIII. 37) представляет собой шум идеального
приемника, определяемый из формул
||(XIII. 31), (XIII.32);
2 =
ш а2оТ ZT ’
(XIII.38)
ГН-»»
с* —I	1
ДГБПхв хкГ|
[Н-Хи
д у* остальное произведение коэффициентов
'	= лИ1 + тИ1 +
Рис. XIII.6. Эквивалентная	х(1+— +— 'j, (XIIL39)
схема микрокалориметра	\ хи хб/	7
[112].
где /<и — эквивалентное сопротивле-
ние измерительного устройства, г — сопротивление термобатареи,
г»	2^2
В реальных конструкциях w0 <
Член (XIII. 38) в (XIII. 37) определяется добротностью мате-
риала, члены (XIII. 39) —конструкцией калориметра и выбранной
Л
измерительной системой. Оценки Л4д = — из (XIII. 37) дают
Мд 0,2, что для С = 1 Дж/К и т=10 с соответствует минималь-
ной обнаруживаемой мощности 10“9Вт. В известных вариан-
тах микрокалориметров минимальные обнаруживаемые мощности
в 10—1000 раз больше, что свидетельствует о возможности сущест-
венного улучшения их предельных параметров.
Инерция микрокалориметра определяется постоянной време-
ни т. В простейшем случае
4= С/х*,	(XIII. 40)
где С — теплоемкость измеряемого объекта, х* — общая тепло-
проводность между реакционной камерой и термостатом. Процесс
546
выхода в стационарный режим после прекращения действия тепло-
вой мощности в реакционной камере описывается формулой
(ХШ.41)
где А — разность температур или сигнал термобатареи, Ао— по-
стоянная, t — время. Обычно времени, равного 3 Ч- 4 т, достаточно
для того, чтобы считать процесс в микрокалориметре установив-
шимся.
Выражения (XIII. 40), (XIII. 41) могут использоваться только
в тех случаях, когда теплоемкость измеряемого объекта во много
раз больше теплоемкости термобатареи и других элементов кон-
струкции, переносящих тепло от реакционной камеры термостату,
и когда время установления тепло-
вого равновесия в реакционной ка-
мере существенно меньше времени
установления стационарного тепло-
обмена между реакционной камерой
и термостатом.
При учете одновременного дей-
ствия этих двух процессов постоян-
Рис. XIII.7. Модель для расчета инер-
ции микрокалориметра с термопарны-
ми датчиками.
ная времени микрокалориметра с достаточной точностью может
быть рассчитана из модели, приведенной на* рис. XIII. 7.
Реакционная камера II охвачена тонким слоем Ах с пренебре-
жимо малой теплоемкостью и большой теплопроводностью (реакцион-
ный патрон). Стержень I эквивалентен термоэлектрической батарее.
Постоянная времени определяется из выражения
(ХШ.42)
^2^1
где а2 — температуропроводность материала термопар, zx — наимень-
ший по абсолютной величине отличный от нуля корень уравнения
d tg (malzn) =	.	(XIII.43)'
. x2s2 /axM/2
где d = —— —	> их и x2 — коэффициенты теплопроводности ма-
xisi \а2)
териалов термопар и исследуемого вещества, sx — площадь попереч-
ного сечения термопарной батареи, $2 — площадь боковой поверхности
камеры, / — длина термопар,' ах — температуропроводность исследуе-
мого материала, /0, /х —функции Бесселя первого рода, /?0 — радиус
реакционной камеры, та =	•
Таким образом, инерция микрокалориметра зависит от двух
основных факторов — скорости установления теплового режима
внутри реакционной камеры и теплоусвоения термоэлектрической
18*
547
батареей. Последнее при выбранном материале термопар зависит
от длины термопар, их сечения и количества. На рис. XIII. 8 и
XIII. 9 приведены зависимости постоянной времени микрокалори-
метра Кальве от длины термопар и от их количества. Из рисунков
видно, что даже при очень большом количестве термопар постоян-
Рис. XIII.8. Зависимость постоянной времени микрокалориметра от
длины термопар. (Реакционная камера высотой 8 см и диаметром
2 см залита водой).
Рис. XIII.9. Зависимость постоянной времени микрокалориметра от
числа термопар при длине термопар 3 см. (Реакционная камера
высотой 8 см и диаметром 2 см залита водой).
Дополнительные сведения о расчете параметров микрокалори-
метров приведены в работах [65, 92, 93, 100,107, 109, ПО, 133, 134,
136, 137, 140, 141, 166].
2. Калориметры с одной термопарой
Применяются с реакционными камерами относительно большого
объема в тех случаях, когда нет необходимости в достижении пре-
дельной чувствительности. Перенос тепла осуществляется про-
межуточной теплопроводящей средой, термопара фиксирует изме-
нение температуры реакционной камеры. В таких приборах важно
обеспечить равенство температуры поверхности реакционной ка-
меры, чтобы результат измерения температуры одной термопарой
мог быть отнесен ко всей камере (рис. XIII. 10).
Иногда в качестве теплопереносящего вещества используется
ветвь термопары увеличенного сечения. Вариант ячейки такого
прибора приведен на рис. XIII. 11. Здесь реакционная камера
находится в тепловом контакте с медной чашкой, которая в свою
очередь опирается на константановый цилиндр. Чашка, кольцо
548
и медный блок образуют дифференциальную термопару, которой
измеряется разность температур между камерой и термостатом.
Последовательным включением таких двух ячеек достигается умень-
шение влияния тепловых возмущений; применение большого ко-
личества ячеек увеличивает производительность измерений. Кало-
риметр такой конструкции [76] разработан для исследования ки-
нетики фотоинициированных реакций. Облучение исследуемого
вещества производится через фторопластовую пленку; одновременно
облучается как рабочая камера, так и эталонная с инертным к об-
Рис. XIII. 10. Кондуктивный микрокалориметр с одной термо-
парой:
1 — исследуемое вещество; 2 — теплопроводящая реакционная камера;
3 — теплопроводящий материал; 4 — термостат; 5 — термопара.
Рис. XIII.И. Ячейка калориметра с дифференциальной термо-
парой:
1 —фторопластовое кольцо; 2 — фторопластовая пленка; 3 — оболочка ре-
акционной камеры; 4 — термостатированный блок; 5 — константановый
цилиндр; 6 — медная позолоченная чашка [76].
лучению веществом. Таким путем исключается ошибка, обусловлен-
ная разогревом при облучении. Температура блока поддержива-
" ется термостатом U-8, в качестве регистрирующего прибора исполь-
зован фотоусилитель Ф116/1 с самописцем ЭПП-093М. Получена
чувствительность от 7,9 • 10~5 до 2,0 • 10“3Вт на 1 мм шкалы само-
писца. Постоянная времени прибора 80 с, температурный интервал
измерений от 60 до 150° С, абсолютные ошибки при измерении в те-
чение 5 ч при 80° С не превышают 8 • 10“5Вт, при кратковременных
измерениях (30 мин) — 1,6 • 10“5Вт. Калибровка прибора произ-
ведена электрическим нагревателем и контролировалась по теплотам
испарения бензола, гектана и воды. Относительная ошибка изме-
рения составляет 0,2%.
Применение одной термопары в микрокалориметре целесообраз-
но, если исследуемый объект имеет небольшие размеры. В этих слу-
чаях относительно легко достигается малая постоянная времени.
Примером такого устройства может быть дифференциальный микро-
калориметр, разработанный для термодинамических исследований
полупроводников. В приборе использована медь-константановая тер-
мопара длиной 50 мм; диаметр ветвей 0,1 мм. При измерении фото-
549
усилителем получена чувствительность около 0,1 В/Вт, т 15 с,
пороговая мощность 0,5 мкВт [97, 98].
Для измерения микротепловыделений в небольших объемах
жидкости, особенно при изучении биологических объектов, рас-
пределенных в жидкой среде, предложено применять микрокалори-
иетрические ячейки с введенной в жидкость термопарой [63]. Ва-
рианты ячеек приведены на рис. XIII. 12. Для повышения чувстви-
тельности оболочки реакционных камер вакуумированы.
Устройство для измерения тепловыделений в твердых образцах
небольших размеров приведено на рис. XIII. 13. Термопара монти-
руется непосредственно в теле образца, для повышения -чувстви-
тельности измерительная ячейка
вакуумируется. Для повышения
точности применена дифференци-
альная схема, в которой исполь-
зован идентичный образец, не
генерирующий тепло. Измерения
Рис. XIII. 12. Ячейки микрокалориметра для исследований неболь-
ших объемов жидкостей:
а разрез обычной ячейки; б — ячейка для аэробных процессов; в — ступенча-
тая ячейка для изучения аэробных процессов. 1, 2 — наружная и внутренняя
стенки ячейки; 3 — вакуумированная полость; 4 — измеряемое вещество; 5 —
заливное отверстие; 6, 7 —двойные стенки воронки; 8 — термопара [63].
Рис. XIII. 13. Схема микрокалориметра для исследования тепловыде-
лений в небольших твердых образцах:
7, 2 — измеряемый и эталонный образцы; 3, 4 — термопары; 5 — термостатиро-
ванный корпус; 6 —электрический нагреватель; 7 — теплоизоляция [37].
могут производиться в интервале температур от комнатной до
600° С. Тепловой эффект определяется из разности температур между
образцом и камерой и разности температур между измеряемым и эта-
лонным образцами. Прибор позволяет регистрировать тепловые
эффекты не менее 0,5 Дж/г. Калибровка произведена электрическим
нагревателем. Калориметр использован для измерения энергии,
запасенной ионными кристаллами при облучении [37].
3. Калориметры с одной измерительной ячейкой
Ячейка содержит одну термобатарею для измерения температуры
между реакционной камерой и термостатированным блоком. В та-
ком устройстве предельная чувствительность термобатареи, как
550
правило, не реализуется и чувствительность микрокалориметра
определяется в основном стабильностью температуры термостати-
рованного блока.
В ранних конструкциях микрокалориметров Тиана [41, 155]
для стабилизации температуры блок помещался в грунт, где колеба-
ния температуры составляли
около 0,01b С в сутки. В более
совершенных вариантах при-
менены термостаты с элек-
тронным терморегулирова-
Рис. XIII. 14. Калориметр
«CRMT» с одной измерительной
ячейкой:
/ — ось; 2, 3 — съемные заглушки;
4 — теплоизолирующий кожух; 5 —
нагреватель; 6 — термостатирован-
ный блок; 7 — реакционная камера;
8 — термобатарея; 9 — измеритель-
ная ячейка; 10 — измеритель темпе-
ратуры; 11 — изоляция [58].
нием,позволившие повысить точность стабилизации до 10~8К.
Фирмой «Setaram» (Франция) выпускаются приборы «CRMT»
(рис. XIII. 14) [58, 101]. Разработаны конструкции с объемом реак-
ционных камер 15 см3 (диаметр 17 мм, высота 80 мм) и 100 см8 (диа-
Таблица XIII. 1 —
Параметры микрокалориметра «CRMT» с одной измерительной
ячейкой [55]
Параметр	Абсолютное значение при объеме реакционной камеры, см8		Значение, отнесенное к единице объема реакционной камеры, см8	
	15	100	15	100
Пороговые мощность, мкВт, мкВт/см3 энергия, мДж, мДж/см3 Максимальные измеряемые мощность, Вт энергия, Дж Постоянная времени, с Воспроизводимость Без регулятора температуры, пороговые мощность, мкВт, мкВт/см3 энергия, мДж, мДж/см3	100—200 20—50 2 200 200 0,2 %-(-поро- говая 50 10	200—400 50-150 2 500 400 50 20	10-20 2-5 5 1	4—8 1-3 1 0,4
•551
метр 35 мм, высота 120 мм). Регулируемый интервал температур
5—юо° С, воспроизводимость температуры около 0,5 К. Темпера-
тура термостата контролируется термометром .сопротивления.
Параметры приборов приведены в табл. XIII. 1, где минимальные
значения мощности и энергии соответствуют неподвижному вари-
анту прибора, максимальные — переворачивающемуся. В термо-
регулируемом варианте пороговые значения и стабильность пока-
заний совпадают; при отключенном терморегуляторе точность воз-
Рис. XIII.15. Конструкция плоской термобатареи микро-
калориметра:
1—термостатированное кольцо; 2 пленочная термобатарея;
<3 — дно реакционной камеры [112].
Рис. XIII. 16. Схема микрокалориметра с плоской ра-
диальной батареей:
1 — термобатарея; 2 — реакционная камера; <3 — контейнер с ве-
ществом; 4—блок; 5 — кожух; 6 — термопара для измерения
температуры блока [112].
растает, а средняя стабильность убывает: по мощности для камеры
15 см3 она составляет 1 мВт, для камеры 100 см3 — 2 мВт.
Микрокалориметр высокой чувствительности описан в работе
[112]. Плоская радиальная 1 термобатарей изготовлена из медь—
константана; константановые ветви полуцилиндрические диаметром
0,8 мм, медные — диаметр.ом 0,1 мм. Горячие спаи вмонтированы
в дно реакционной камеры, холодные — в алюминиевое кольцо.
Сопротивление термобатареи 9,9 Ом (ее конструкция приведена
на рис. XIII. 15). Схема калориметра приведена на рис. XIII. 16.
Контейнер для образцов ввинчивается в корпус реакционной ка-
меры; контейнер и корпус изготовлены из меди, их теплоемкость
составляет 6,9 Дж/К. Размеры образцов: диаметр 20 мм, высота
20 мм. Кожух калориметра помещен в жидкостный термостат, темпе-
ратура которого поддерживается с точностью 1,5 * 10“4К. Темпе-
ратура термостата на 10—15 К выше температуры окружающей
среды. В таких условиях температура блока стабилизируется с
точностью 7 • 10"7К. Шумы микрокалориметра 6 it 2 мкВт, но
могут быть уменьшены до 0,2 мкВт. Постоянная времени прибора
552
180 с. Воспроизводимость после 23 дней составляет 0,12%. Интер-
вал измерений 10”1— 10”? Вт, точность 0,2%.
Микрокалориметр для исследования ионного обмена (рис. XIII
17) [89] содержит тонкостенную ампулу с исследуемым веществом
(ионитом), изготовленную из титана, диаметром 10 мм и высотой
30 мм, дно которой заклеено полистирольной пленкой. В ампулу
вмонтирован нож для раз-
резания пленки. Блок тер-
мопар, который одновремен-
но является и калориметри-
ческим стаканом, изготов-
Рис. XIII.17. Микрокалориметр для исследования ионного обмена
1 — направляющий стержень; 2 — шток; 3 — привод мешалки; 4 — крышка вто-
рой оболочки; 5—пробка; 6—прокладка; 7 — держатель; 8— скользящий
нож; 9 —градуировочный нагреватель; 10 —плексигласовые кольца; 11 —блок
термопар; 12 — вывод термопар; 13 — полистирольная пленка; 14 — винипласто-
вое кольцо; 15 — ампула для ионита; 16 — резьбовая муфта из винипласта;
17 — ось [89].
Рис. XIII. 18. Микрокалориметр для исследования окислительных
реакций:
1 —₽ реакционная камера; 2 — термобатарея; 3 полость для ртути; 4 отверс-
тия для продувки окислителя [127].
лен из плексигласовых колец толщиной 6 мм. В каждом кольце сде-
лано 12 звездообразных пазов, в которые укладывают медь-кон-
стантановые термопары. Общее количество термопар 120 и 132.
Внутренний объем стакана является реакционной камерой, отно-
сительная погрешность измерений составляет 0,33—2,5%. Прибор
может быть использован и для исследования других реакций сме-
шения.
Микрокалориметр дЯя исследования окислительных процессов
(окисление угля при комнатных температурах) описан в работе
[127]. Схема прибора приведена на рис. XIII. 18. Реакционная ка-
мера и все детали изготовлены из полиметилметакрилата. В камеру
вмонтированы измерительные спаи 36 медь-константановых термо-
553
пар. Холодные спаи вмонтированы в коаксиальный цилиндр, обра-
зующий вместе с наружным полость, в которую для термостабили-
зации залита ртуть. Спаи в реакционной камере и термостате во
избежание замыкания покрыты лаком. Диаметр реакционной ка-
меры 16 мм, высота 140 мм. Прибор помещен в термостат, темпера-
тура которого поддерживается с точностью 0,01 К. Минимально
обнаруживаемый сигнал составляет около 6 • 10*~5 Вт.
Жидкостный микрокалориметр. Измерение малых количеств
тепла, выделяющегося в небольших объемах жидкости, может про-
изводиться в стеклянных кюветах с термоэлектрической батареей
Рис. XIII. 19. Микрокалориметрическая кювета:
1, 2 — наружная и внутренняя стенки; 3 — заливочное отверстие; 4 — стеклян-
ный корпус; 5 — холодные спаи термобатареи; 6 —термобатарея; 7 —горячие
спаи термобатареи; 8 — нагреватель; 9, 10 электрические контакты [70].
Рис. XIII.20. Термобатарея микрокалориметра с различной погло-
щательной способностью спаев:
1—медная оболочка; 2 — изоляционная пленка; 3~ ленточная термобатарея}
4 — поглощающий спай; 5 — отражающий спай [91].
[70, 71]. Наружная и внутренняя стенки образуют полость
(рис. XIII. 19), которая вакуумируется. В полость вмонтирован
конус, на котором располагаются холодные спаи термобатареи.
Рабочие спаи располагаются по образующей нижнего основания ре-
акционной камеры. На камеру навит градуировочный нагреватель,
выводы нагревателя и батареи проведены через вакуумные пере-
ходы. Кювета помещается в жидкостный термостат. Применение
двух кювет позволяет реализовать и дифференциальное включение,
при большем количестве кювет — одновременное исследование не-
скольких процессов.
Микрокалориметр для исследования тепловыделений биологи-
ческих объектов с термобатареей, основанной на принципе диф-
ференциальной лучепоглощающей способности в инфракрасной
части спектра, описан в работе [91]. Термобатарея изготовлена из
медь-константановой ленты (рис. XIII. 20). «Горячие» и «холодные»
спаи по-разному поглощают инфракрасное излучение, что создает
перепады температуры в батарее. Термобатарея монтируется
на изоляционной подложке. Внутренняя поверхность камеры ка-
лориметра равномерно покрыта термобатареями. Размеры камеры
554
14,8 X 14,8 X 35,6 см, количество спаев на 1 см2 — 1,77 (всего ис-
пользовано 2246 спаев). Камера термостатирована. Постоянная
времени прибора несколько минут, чувствительность около 10“3В/Вт,
измерения производятся в интервале от 10 до 50° С.
4. Дифференциальные микрокалориметры
с одной термобатареей
Содержат реакционную и идентичную пассивную камеры, соеди-
ненные между собой термобатареей. Камеры и батарея размещены
в термостатированном блоке (рис. XIII. 21). Камера и блок нахо-
дятся в достаточно хорошем тепловом контакте, температура в ка-
мерах при измерениях изменяется несущественно, и поэтому режим
измерений в большинстве случаев можно рассматривать как близ-
кий к изотермическому. Градуировка прибора обычно производится
электрическим .нагревателем. Наличие пассивной эквивалентной
камеры позволяет сущест-
венно уменьшить влияние
внешних тепловых возму-
щений. При измерениях
иногда используется метод
компенсации: в эквивалент-
ной камере монтируется
Рис. XIII.21. Принципиальная схема дифференциального микрокало-
риметра с одной термобатареей:
1 — реакционная камера; 2 — термобатарея; 3 — эквивалентная пассивная каме-
ра; 4 — термостат; 5 —» компенсирующий нагреватель; 6 калибровочный нагре-
ватель.
Рис. XIII.22. Схема дифференциального микрокалориметра:
/ — рабочая реакционная камера; 2 — ампула; 3 — дозировочный стакан; 4 -*
поворотный механизм; 5 — фторопластовый сектор; 6 — основание; 7 — термоба-
тарея; Я — эталонная реакционная камера; 9 — термостатированный корпус [73].
электрический нагреватель, развивающий мощность, которая при-
водит к выравниванию температур между камерами. О мощности
теплового процесса в реакционной камере судят по мощности, раз-
виваемой нагревателем в эквивалентной камере.
Микрокалориметр для исследования сыпучего реагента. Кон-
струкция такого прибора [73] приведена на рис. XIII. 22. Реакцион-
ная камера и эталон изготовлены из меди, для выравнивания тем-
пературных полей они помещены в массивный медный блок. В реак.
555
ционной камере установлена ампула с жидкостью, второй сыпучий
реагент размещен над ампулой в дозировочном стакане. Поворот-
ным механизмом дно дозировочного стакана смещается, и сыпучий
реагент попадает в реакционную камеру. Термобатарея изготовлена
гальваническим методом: на гетинаксовую прямоугольную плас-
тину толщиной 1 мм наматывается константановая проволока тол-
щиной 0,1 мм с шагом 0,5 мм, половина полученной таким образом
прямоугольной спирали меднится. Толщина покрытия определя-
ется по формуле
^1=1/^,	(XIII.44)
«а ' КаРа
где Si, $2 а— поперечное сечение провода и покрытия, рх*, р2 и Xj,
х2 — их удельное сопротивление и теплопроводность.
Количество спаев в термобатарее 210, сопротивление 700 Ом.
Микрокалориметр помещается в ультратермостат, точность ста-
тирования 0,01 К. Минимальная измеряемая мощность 4 • 10“5Вт
в интервале температур. 20—100° С.
Микрокалориметр для исследования реакций полимеризации
[78]. Его конструкция приведена на рис. XIII. 23. Две серебряные
камеры имеют вид полуцилиндров массой 600 г, содержат плати-
новые термопары сопротивления (по’ЗО Ом) и нагреватель из ман-
ганиновой проволоки (15 Ом). Для
измерения разности температур меж-
ду камерами использована батарея
из пяти медь-константановых термо-
пар. Прибор помещается в*масляный
термостат, позволяющий производить
измерения в интервале температур
от комнатной до 250° С; точность
статирования 0,01 К. Температура
реакционных камер термобатареи из-
мерялась с точностью 0,008 К. Пе-
Рис. XIII.23. Схема дифференциаль-
ного калориметра для исследования
реакций полимеризации:
1, 2 — идентичные корпусы реакционных ка-
мер; 3 — терморезистор; 4 — нагреватель;
5 — термобатарея; 6 — оболочка [78].
регрев реакционных камер не более 0,4 К, т. е. условия измерений
близки к изотермическим. Прибором регистрировались выделения
тепла 1,2 • 10~^Дж/см3.
Микрокалориметр для исследования биохимических реакций
[95]. Применены реакционные камеры, внутренние полости кото-
рых разделены на два отсека сферическими смесителями из фторо-
пласта. Каждый из отсеков заливается реагентом: при перемещении
смесителей жидкости перемешиваются (рис. XIII. 24). Скорость
перемешивания 1 мл одно.го реагента с 3 мл другого —'менее 1 с.
Разность температур между камерами измеряется термобатареей
из 25 хромель-алюмелевых термопар. Две термопары использованы
556
для измерения температур камер. Прибор помещается в термостат,
рабочий диапазон температур от 0 до 40° С, время установления
равновесия 2 ч. Для теплот реакций больше 25 мккал можно опре-
делить теплоту реакций и константу скорости реакции с точностью
до 2%. При измерении теплоемкости минимальные тепловые эф-
фекты, обнаруживаемые прибором, составляют 20 мккал.
Миниатюрный микрокалориметр [90] (рис. XIII. 25) содержит
две идентичные камеры, в нижних частях которых расположены
Рис. XIII.24. Дифференциальный микрокало-
риметр для исследования биохимических реак-
ций:
а — детали калориметра; б — конструкция; в общий
вид; 1 — резиновая прокладка; 2 — крышка; 3коль-
цевые уплотнительные прокладки; 4 — пробка; 5 — на-
полнительные отверстия; 6 — колпачок; 7 — шарик со
стержнем; 8 — цилиндрическая нижняя часть реак-
ционной камеры; 9 — термобатарея; 10 — кольцевые
уплотнительные прокладки; 11 — выступ для монтажа
термобатарей; 12 — держатель камер; /3—алюминие-
вый блок [95].
градуировочные нагреватели; верхние части полые (для исследу-
емого и эталонного вещества). Между камерами вмонтирована тер-
мобатарея, изготовленная из хромель — константана, еще одна ох-
ватывает наружные поверхности камер. Варианты монтажа термо-
батареи приведены на рис. XIII. 26. Температура микрокалори-
метра устанавливается электрическим нагревателем на наружном
экране и измеряется платиновым термометром сопротивления. Диа-
метр микрокалориметра 70 мм, высота 90 мм; диаметр реакционной
камеры 8,6 мм, высота 20 мм; объем 1,2 см3. Чувствительность
прибора составляет 0,03 В/Вт, постоянная времени 30—40 с, интер-
вал температурных измерений 20—600° С.
Аналогичный прибор описан в работе [147]. Две цилиндричес-
кие реакционные камеры с термобатареей между ними помещены
в теркЛстатированный цилиндрический блок (рис. XIII. 27) с двумя
конусами. Как и в калориметрах Кальве, при такой форме блока
557
достигается симметризация внешних тепловых возмущении и, сле-
довательно, возрастание эффективности дифференциальной схемы.
Рис. XIII.25. Миниатюрный дифференциальный микрокалори-
метр:
1 —внутренняя термобатарея; 2 —наружный экран с нагревателем; 3 —
наружная термобатарея; 4—терморезистор; 5 — реакционные камеры;
5 _ градуировочные нагреватели; 7 — корпус; 5— экран [90].
Рис. XIII.26. Варианты монтажа термобатареи на цилиндри-
ческие реакционные камеры [90].
Реакционные камеры и корпус отделены тефлоновыми цилиндрами.
Хромель-алюмелевая термобатарея из 50 спаев намотана на тефло-
новый прямоугольный каркас. Мон-
таж батареи приведен на рис. XIII.
28. Диаметр реакционных камер
10 мм, высота 43 мм. Калориметр
помещается в жидкостный термостат.
Микрокалориметр для диффе-
ренциального термического анализа
приведен на рис. XIII. 29 [165].
Прибор предназначен для измерения
при температурах до 700° С спектров
выделения энергии, запасенной де-
формированными металлами. Блок
Рис. XI 11.27. Конструкция дифферен-
циального калориметра с коническим
термостатирующим блоком:
1 — реакционная камера; 2
3 — тефлоновые цилиндры;
нусами [147].
- термобатарея;
4 блок с ко-
калориметра цилиндрической формы изготовлен из меди, на его
поверхность равномерно намотан электрический нагреватель.
558
В блоке расположены измеряемый и эталонный образцы, к кото-
рым вмонтированы спаи батареи хромель—алюмель. Объем образ
цов 2—20 см3. Температура блока регулируется программным
устройством. Камера наполнена газообразным гелием. Точность
измерений составляет около 40 Дж/г-атом.
Рис. XIII.28. Термобатарея для дифференциального
микрокалориметра [147].
Микрокалориметры для измерений рентгеновской и гамма-
радиации разработаны в ЛЭТИ [46—48]. Схемы приборов приве-
дены на рис. XIII. 30, XIII. 31, параметры — в табл. XIII. 2.
В микрокалориметрах использованы хромель-копелевые термоба-
тареи, количество термопар 70—
100. Спаи монтируются к прием-
ной площадке и компенсирующе-
му элементу, по тепловым свой-
ствам близкому к приемной пло-
щадке. В приемной площадке по-
глощается 94,5—99,9% всей энер-
гии рентгеновского излучения.
Ослабление излучения в окне не
превышает 1 %. Минимальный ре-
Рис. XIII.29. Схема дифферен-
циального микрокалориметра для
термического анализа:
1—многоспайная термопара хромель —
алюмель; 2 — нагреватель; 3 — термо-
статирующий блок; 4 — тепловой экран;
5 — эталонный образец; 6 — измеряемый
образец; 7 — вводы термопар; 8 — стен-
ка вакуумной камеры [165].
гистрируемый сигнал равен 5 • 10“9 Вт/см2. В интервале 5 • 10“? —
1- 10”1 Вт/см2 измерения производятся с точностью 1—2%. Пара-
метры изображенного на рис. XIII. 30 прибора: минимальная ре-
гистрируемая мощность 5 • 10-9 Вт/см2, в интервале 5 • 10~2—
559
5- 10”2 В т/см2 воспроизводимость измерений 1 %, погрешность не
^рлее 2% для энергий квантов 30—50 кэВ; 5 и 20% соответственно
для интервалов 10—30 и 50--200 кэВ,-при учете систематических
погрешностей не более 4%.
Рис. XII 1.30. Схема микрокалориметра рентгеновской и гамма-радиации:
/ •— окна; 2 — диафрагма; 3 — корпус; 4 — приемная площадка; 5 — компен-
сирующая площадка; 6 — термобатарея; 7 — экран выводов; 8 — держатель [47].
Рис. XIII.31. Схема микрокалориметра для измерения интенсивности
рентгеновского излучения:
1 — окна; 2—свинцовая диафрагма; 3 —латунные корпусы; 4 — пенопласт; 5,
8 — приемная и компенсирующая площадки; 6 — держатель; 7 — термобатарея
[48].
Микрокалориметры могут быть использованы и для измере-
ний рентгеновского излучения в импульсном режиме. Для этой
цели разработан помехозащищенный [88] прибор с идентичными
приемной и компенсирующей площадками. Для достижения макси-
Таблица XIII.2
Параметры микрокалориметров ЛЭТИ для регистрации
рентгеновской и гамма-р ад нации [47]
Диаметр приемной площадки, мм	Диаметр окна, мм	Толщина свин- цового погло- тителя, мм	Материал окна и его толщина, мкм	Диапазон напряжений на трубке, кВ	Количество спаев термобатареи	Сопротивле- ние термоба- тареи, Ом	Постоянная времени, с
40	36	3,1	Алюминий, 20	60-250	100	50	200
27	25	0,5	Бериллий, 200	15-70	70	20	30
27	25	0,1	»	15-30	70	60	10
40	44	0,1	>	15-30	100	40	15
мальной чувствительности толщина свинцовых приемных площадок
уменьшена до 100 мкм (диаметр 15 мм). С погрешностью, не превы-
шающей 10%, микрокалориметром могут производиться измерения
импульсов длительностью 1 • 10”? с в диапазоне 5 • 10”?—5 -Ю^Дж,
чувствительность прибора 0,05 В/Дж.
560
Высокотемпературный микрокалориметр разработан фирмой
«Setaram» [58] (рис. XIII. 32). Калориметрический элемент содер
жит две идентичные камеры — тигли (эталонный и измерительный),
систему дифференциальных платинородиевых термопар (6 и 30%
Rh для температур до 1500° С и 10% Rh для температур до 1300° С),
кольцо из глинозема, в которое вмонтирована термобатарея, и сис-
тему крепления элемента в высокотемпературной печи. Верхний
тигель обычно используется для измерений, в нижний помещается
эталонное вещество. Микрокалориметр помещается в однородную
герметичную муфельную печь; через печь может пропускаться инерт-
ный или необходимый для реакции
газ. Прибор снабжен устройством
для программирования и регулиров-
ки температуры, регулятором давле-
ния нейтральной, окислительной и
восстановительной атмосферы в диа-
пазоне давлений от атмосферного до
нескольких миллиметров ртутного
столба. Объем образцов 1,6 см3 (ди-
Рис. XIII.32. Конструкция калори-
метрического элемента и батареи тер-
мопар высокотемпературного калори-
метра «Сета рам»:
1 — изоляционная трубка; 2, 5 измери-
тельная и идентичная реакционные камеры;
3,6?— термобатарея; 4, 7 — кольца [58].
аметр 9 мм, высота 28 мм). Порог чувствительности по мощности
составляет 200 мкВт, по энергии — 20 мДж. Постоянная времени
т = 45 с.
Сведения о микрокалориметре для измерения потерь в ферро-
магнитных материалах приведены в работах [32, 86, 87].
5. Микрокалориметры с двумя
дифференциально включенными термобатареями.
Микрокалориметры Кальве
Основной отличительной особенностью микрокалориметров явля-
ется использование двух идентичных измерительных ячеек с термо-
батареями, включенными навстречу друг другу, и реакционными
камерами, вмонтированными в единый термостатированный блок.
Этим достигается уменьшение влияния внешних тепловых возбуж-
дений. Сведения о микрокалориметрах приведены в табл. XIII. ?.
Первые варианты микрокалориметров с цилиндрическими реак-
ционными камерами, термобатареями и симметрично расположен-
ными в термостатированном блоке измерительными ячейками раз-
работаны Кальве (рис. XIIL33), поэтому в литературе приборы
такой и подобных конструкций иногда называют микрокалоримет-
рами Кальве. Ниже рассматриваются среднетемпературные, низко-
температурные и высокотемпературные микрокалориметры такого
типа с металлическими термобатареями. Отдельно приводятся сведе-
ния о микрокалориметрах с полупроводниковыми термобатареями.
561
Параметры кондуктивных микрокалориметров с дифференциально
При бор назначение	Объем реак- ционной камеры, см®	Чувствитель- ность, В/Вт	Порог чувст- вительности, Вт(Дж)	
МК-2	8			0,5-10-»	
МКД-б	—	—	10-5	
Бион-1	11,3 + 0,2	0,19	ю-«	
ДК-100	20 ±0,2	0,18	10~4 •	
«Сетарам»	15	—	1-ю-’ (5.10-s)	
«Сетарам»	100	—	2-10-’ (2-10~4)	
«Сетарам»	15	——	0,5-10-»	
«Сетарам»'	15	—	5-10-» 2,5-10-»	
«Сетарам» 76—160	700	—	2-10~»	
«Сетарам» СД50	6	—	—	
Д. С. К. «Сетарам»	0-3,8	—	1,5-10-5	
ЛКБ10700-2, ЛКБ2107-010 (для изучения биохимических ре-	2-3; 6; 7,5	—	—	
акций)				
МСБ	—	—	—	
БМ (среднетемпературный с жидкостным термостатом)	—	0,6-кг3	—	
Разработанный Кальве	24	—	2-10-’— 6-10~’	
Разработанный Кальве	19	0,18	—	
Кальве — Тиана, упрощенный	14	—	26-10—6	
Для исследования мелкодиспер- сных систем	—	—	1-10-’	
Для определения теплот обра-	—	—	—	
зования твердых растворов			1,5-10-»	
Для определения теплот погло-	—	—		
щения воды и пропана				
Для исследования медленных	6	—	2-10-»	
тепловых явлений в металлах				
Для исследования кинетики по-	1,8	—	3-io—5	
лимеризации				
Для исследования малых коли-	2	—	—	
честв вещества				
Для аналитической микрокало- риметрии			1,3-10~5 (1,2.10-6)	
562
включенными термопарными батареями
Т а б л и ц а XIII.3
Постоянная времени, с	Материал термобатареи	Количество термопар в термобата- рее	Рабочий интервал температур, °C	Литератур- ный источник
>30					От —100 до 150	[30]
—	—	500	От 25 до 800	[36]
90	—	——	—-	——
200	—	—	До 100		
200	—	—	До 200	[58]
400	—	—	До 200	[58]
150-200	—	—	От —205 до 200	[58]
150	—	—	До 1000	[58]
—	—	—	До 120	[58]
		—		—	[58]
10	—	—	От —120 до 1800	[58]
70-80	Медь—константан (гальван.)	5000-10000	—	[159]
—	—	70	От 20 до 600	[142, 143]
966	—	117	—	[167]
800	Железо—констан- тан Хромель—констан- тан	800+200*	От 20 до 200 От 20 до 600	[41, 42, ЮЗ]
150	Bi 2Те3—Sb2Te3, Bi2Te3—Bi2Seg	195	До 120	[41, 108]
160	Медь—константан	88	От 20 до 50	[96]
250	Хромель—копель	800	От 20 до 180	' [60]
342	Медь—константан	180	До 100	[37]
150	Хромель—копель	2000	—	[П6]
600	Хромель—констан: тан	150	20-250	[59]
15	Медь—константан (гальван.)	250—500	—	[34]
—	Медь—константан (гальван.)	2400+1600*	—	[Н9]
	Медь—конста нта н (гальван.)	2500		[146]
563
Прибор# назначение	Объем реак- ционной камеры, см8	Чувствитель- ность, В/Вт	Порог чувст- вительности, Вт(Дж)
Для исследования кинетики хи- мических реакций	—	—	2,9.10-®
Для изучения скорости восста- новления окислов	—	5,3- 10~з	—
Для определения тепл от сме- шивания жидких калий-нат- риевых сплавов	—	—	—
Жидкостный	—	—	4-10-’
Для измерения теплоемкости малых образцов	—	—	—
Для измерений тепловых эф- фектов превращений биопо- лимеров	0,6-0.02	—	—
С предварительным разогревом образца	—	—	10~7
Для исследования растворения в расплавах металлов	—	—	—
Для изучения тепловых явле- ний в металлах	44	—	1,4.10-®
Для определения энтальпии ве- ществ	—	—	10~?
Для количественной термогра- фии	—	—	(4-10-®)
Высокочувствительный малога- баритный	20	0,7	4.10~9
Высокочувствительный для био- химических исследований	—	0,6	4-10-W
Для исследования плоских твердых образцов	—	0,12	—
Для дифференциального терми- ческого анализа	—	1,0	2-10-’
Для измерения энергии, выде- ляющейся при циклических нагрузках		0,037—0,012	
* Количество термопар в батарее для компенсации эффектом Пельтье.
Среднетемпературные микрокалориметры. Разработанные
Кальве микрокалориметры [41, 102, 103, 139] предназначены для
измерений в интервале от 20 до 200° С, в расширенном — до 600° С.
Термостатированный блок расположен между двумя коническими
теплоотводами, симметрирующими внешние тепловые потоки. Для
достижения равномерного распределения тепла" применены коррек-
тирующие тепловые линзы. Блок с конусами помещен в толстостен-
564
Продолжение табл. XIII.3
Постоянная времени, с	Материал термобатареи	Количество термопар в термобата- рее	Рабочий интервал температур, ° С	Литератур- ный источник
160	X ромель—копель	6604-160*	От 20 до 400	[29]
12	Au+Pd-Pt+Rh	12	—	[62]
—	—	96	До 500	[129]
—	—	—			[70]
—	Медь—константан	240	От —190 до 30	[64]
—	Хромель—констан- тан	100	От—173 до 130	[7]
—	Нихром—констан- тан	240	От 20 до 1000	[122,125]
—	Хромель—алюмель	176	До 900	[115]
600	Платина—платино- родий	1404-28*	От 20 до 800	[75]
—	Хромель—копель	788	От 80 до 830	[6]
—	Платинородий—ро- дий	48	От 25 до 700	[69]
180	—	—	—	[13]
200	Термобатареи ТБМ-2М	—	От 5 до 45	[12]
90	—	—	—	[148]
—	Серебро—констан- тан^	2500	—	[158]
45	Полупроводники		От —170 до 30	[152]
ный корпус, уменьшающий градиент температуры, который в свою
очередь охвачен системой радиационных экранов и теплоизолиру-
ющим кожухом (рис. XII 1.33). Перечисленные конструктивные
особенности позволяют реализовать чувствительность термопарных
батарей — измерять перепады температуры между блоком и реак
ционной камерой менее 10“? К, тепловые мощности 10“?— 10“8 Вт.
Схема измерительной ячейки микрокалориметра Кальве
565
приведена на эис. ХШ( 34. Термопары равномерно распределены по
поверхности реакционного патрона, для улучшения теплового кон-
такта к спаю термопары приварены медные или серебряные плас-
тины, вмонтированные к поверхности патрона (рис. XIII. 35). К тер-
мостатированному блоку спаи присоединены через серебряные плас-
тины, обеспечивающие надежный тепловой контакт (рис. XIII. 36).
Ячейка содержит две термобатареи — измерительную и компен-
сационную для охлаждения ка-
меры эффектом Пельтье. Компен-
сационная батарея иногда исполь-
зуется и для градуировки прибо-
Рис. ХШ.ЗЗ. Конструкция микрокалориметра Кальве:
1 — теплоизолирующий кожух; 2 — система радиационных экранов; 3 — тепло-
проводящий блок для снижения перепадов температуры; 4 — теплопроводящий
конус; 5 — тепловые линзы; 6 — калориметрическая ячейка с термобатареей;
7 — изоляционная опора; 8 — термостатированный блок с реакционными каме-
рами; 9 — гальванометр [41].
Рис. XIII.34. Микрокалориметрйческая измерительная ячейка Кальве:
1 — термостатированный блок; 2 — теплопроводящий цилиндр; 3—прижимные
теплопроводные кольца; <—теплоизолятор; 5 — термобатарея; 6 — реакционный
патрон; 7 — ампула; 8 —спаи термопар; 9 — выводы измерительной термобата-
реи; 10 — выводы термобатареи для компенсации эффектом Пельтье [41].
ра. Количество спаев у компенсирующей батареи существенно мень-
ше, чем у измерительной, например 16 компенсирующих и 128 изме-
рительных или соответственно 200 и 800; однако встречаются кон-
струкции, где количество элементов обеих батарей одинаково. Диа-
метр термопар 0,3 мм, материал реакционного патрона серебро или
платина. Высота реакционного патрона 120 мм, поперечное сечение
2 см2, толщина стенки 0,2 мм. Для проведения исследований быстро-
протекающих процессов при повышенных давлениях в реакцион-
ные патроны монтируют микробомбы. Начало реакций (взрыва)
производится дистанционным электрическим пусковым устройст-
вом [104, 105].
В упрощенном варианте конструкции микрокалориметра [96]
в медный блок диаметром 240 мм и высотой 140 мм вмонтированы
566
две измерительные ячейки с реакционным патроном диаметром 15 мм
и высотой 80 мм. Диаметр ветвей термопар 0,3 мм, длина 25 мм.
У реакционной камеры спаи термопар приварены к медным коллек-
торам тепла размером 4X9 мм, толщиной 0,1 мм, приклеенным
Рис. XIII.35. Монтаж термобатареи к реакционному патрону:
1 — тепловой коллектор; 2 — электрическая изоляция; 3 — тонкостен-
ный реакционный патрон [41].
Рис. XIII.36. Монтаж термобатареи к внешней оболочке мик-
рокалориметрической ячейки:
1 — серебряные пластины; 3 —. слюдяные кольца,^ охваченные медными
кольцами 2 [41].
к патрону. Блок охвачен системой термостатирующих экранов.
Прибор содержит электрический нагреватель для изменения темпе-
ратуры в интервале 20—50° С, константа Пельтье 0,002 мВт/мА,
стабильность 10 мкВт/сут.
Микрокалориметр для исследова-
ния дисперсных систем с четырьмя
измерительными ячейками [60]. Жид-
кий реагент помещен в реакционную
камеру (рис. XIII.37), дисперсный —
в емкость автоматического загрузоч-
Рис. XIII.37. Микрокалориметр для
исследования мелкодисперсных - сис-
тем:
1 — приводной двигатель; 2 — платиновый
терморезистор; 3—нагреватель; 4—осно-
вание; 5 — уплотнитель; 6 — шторка-зас-
лонка; 7 — к вакуумной системе; 8 — к сис-
теме давления; 9 — внешняя оболочка изме-
рительной ячейки; 10 — термобатарея; 11 —
реакционная ампула; 12 — кожух; 13 — уси-
литель мощности; 14 — фотоусилитель; 15—
программное у< тройство; 16 — мост посто-
янного тока [60].
него устройства со шторкой-заслонкой. Двигателем отверстие
шторки совмещается с отверстием емкости —так реагенты приво-
дятся в контакт. Перемешивание реагентов производится электро-
567
магнитным вибратором. Для уменьшения теплообмена в теплоизо-
лирующей камере создается разрежение до 10“3 мм рт. ст. При ра-
боте калориметр помещается в жидкостный термостат. Измерения
могут проводиться в различных газовых средах при давлении до
12 атм.
Поэлементная сборка термобатарей нетехнологична, поэтому
разработаны различные варианты батарей галетного типа, которые
Рис. XIII.38. Секция термобатареи, из-
готовленная на кольцевом горизонталь-
ном каркасе; внутренняя цилиндричес-
кая поверхность контактирует с реак-
ционной камерой, внешняя — с термоста-
тированным блоком [41].
могут быть разделены на два основных — с прямоугольными и коль-
цевыми несущими каркасами (см. рис. XIII. 28; рис. XIII. 38).
Материал каркаса выбирается по возможности минимальной теп-
лопроводности, достаточной механической и термической прочности
для заданного интервала температур. Иногда изготовляются и бес-
Рис. XIII.39. Бескаркасная спиральная термобатарея:
а — приспособление для изготовления термопарной батареи; б — спираль-
ная батарея на резиновом мешке; в—термобатарея в измерительной
ячейке; 1 —плита; 2 — стержни; 3t 4 — проволоки для ветвей термопар;
5 — спай термопар; 6 — резиновый патрон; 7 — секция термобатареи; 8—>
наружный корпус измерительной ячейки; 9 — реакционная камера [130].
каркасные спиральные батареи [130]: на шаблоне предварительно
изготовляется проволочная цепь из последовательно соединенных
отрезков термопары (рис. XIII.39), затем проволока наматывается
на цилиндрический, накачанный воздухом резиновый патрон так,
чтобы спаи располагались на двух диаметрально противоположных
образующих цилиндра. Полученные таким образом секции термо-
568
батареи вклеиваются в измерительную ячейку эпоксидной смолой,
резиновый патрон после полимеризации удаляется.
Для улучшения условий теплообмена исследуемого вещества
с термобатареями и уменьшения инерции прибора могут быть ис-
пользованы двойные термобатареи с камерами цилиндрической
формы [23]. Батареи монтируются к внутренней и внешней поверх-
ностям камеры (рис. XIII.40).
Микрокалориметрическая уста-
новка для определения теплот об.
Рис. XIII.40. Измерительная ячейка калориметра с цилиндри-
ческими реакционными камерами:
1 —- термостатированный блок; 2, 3 — термобатареи; 4 — реакционная
камера [23].
Рис. XIII.41. Дифференциальный микрокалориметр «Сетарам»:
1 —» загрузочный канал; 2 — коммутационный блок; 3 — экраны; 4 — из-
мерительная ячейка; 5 — термостатированный блок; 6 — термостатирую-
щая оболочка; 7 — поглотитель влаги; 8 — Контрольная ячейка;- 9 —> на-
греватель; 10 — теплоизолятор [58].
разования твердых растворов, теплот растворения и энергии,
запасенной в щелочно-галоидных кристаллах при их облучении.
Батареи собраны из 18 кольцевых секций, каркасы секций изготов-
лены из эбонита, изоляционные прокладки лавсановые толщиной
10 мкм. Над реакционными камерами расположены конические
объемы, заполненные исследуемым и эталонным веществами. Между
камерами и объемами установлены сбрасывающие устройства, пред-
ставляющие собой два синхронно работающих затвора фотоаппара-
тов. Прибор термостатируется наружной водяной рубашкой, соеди-
ненной с жидкостным термостатом; точность термостатиррвания
±0,02 К. Порог чувствительности 1,77 • 10“4Дж/см2. Наличие
лавсановых прокладок ограничивает верхний температурный пре-
дел измерения 100° С [38].
569
Микрокалориметр «Сетаралп (рис. XIII.41) содержит две или
четыре измерительные ячейки. Использованы вертикальные пря-
моугольные термопарные галеты. Необходимая температура созда-
ется нагревателем и контролируется датчиком температуры. При-
менены реакционные камеры диаметром 17 мм, высотой 80 мм и диа-
метром 35 мм, высотой 120 мм. Максимально измеряемые мощности
0,5 Вт, максимальная мгновенная энергия 50 Дж. Стабильность
измерений для микрокалориметра в обычных условиях с реакцион-
ной камерой 15 см3 составляет 1 мкВт, с камерой 100 см3— 2 мкВт;
в лаборатории с кондиционированным воздухом и реакционной
камерой 15 см3 — 0,1 мкВт, 100 см3— 0,2 мкВт, воспроизводимость
0,2% + пороговая [58].
Микрокалориметры для исследования мед-
ленных, тепловых явлений в металлах [59].-Тер-
мобатареи набраны из плоских галет прямоуголь-
ной формы, установлены вертикально и радиаль-
но в измерительных ячейках. Батареи изолиро-
ваны от реакционного патрона и термостатиро-
Рис. XIII.42. Реакционная камера с перегородкой
для опрокидывающегося* микрокалориметра [119].
ванного блока пленкой из фторопласта толщиной 0,02 мм, минималь-
ный регистрируемый перепад температуры 10“б К. Диаметр реак-
ционных камер 10 мм, высота 80 мм. Процесс установления стацио-
„нарного теплового режима около 50 ч. После установления темпе-
ратуры ее изменения не превышают 10"3 К. За несколько суток
неконтролируемый дрейф нуля не превышал 0,01 мкВ.
Микрокалориметр для исследования кинетики полимеризации
[34]. Существенное упрощение в изготовлении термопарных батарей
достигается при использовании гальванических покрытий. Термо-
батареи изготовлены из константановой проволоки, намотанной
на пластинку из слюды толщиной 0,02—0,13 мм, длиной 35 мм и
высотой 3—5 мм и омедненной до половины витков. Диаметр реак-
ционных камер 12 мм, высота 16 мм.
Опрокидывающийся микрокалориметр для исследования малых
количеств веществ [119]. Секции спиральных гальванических ба-
тарей изготовлены на цилиндрических пластиковых каркасах дли-
ной около 5 см, диаметром 6 мм и с толщиной стенки 0,025 мм. Изо-
лированным константановым проводом диаметром 0,02 мм на кар-
касе равномерно намотано 400 витков. С половины каждого витка
изоляция снималась, очищенное место меднилось до толщины
0,004 мм. Всего использовано по 10 секций в каждой измерительной
ячейке. Батареи с патроном монтируются в алюминиевый блок с
двумя конусами, как и в микрокалориметрах Кальве. Использо-
ваны реакционные камеры с перегородкой; при' опрокидывании
реагенты перемешиваются. Камеры изготовлены из титана, в каж-
дую половину вводится до 1 мл реагента (рис. XIII.42). Для пере-
мешивания калориметр вращают вокруг горизонтальной оси на
180° по часовой стрелке, потом на 360° против нее, далее на 180°.
снова по часовой стрелке до возвращения в исходное положе ние-
Четырех-пяти циклов достаточно для полного перемешивания ра^т
570
вора. Вращение калориметра с термобатареями в магнитном поле
Земли может стать источником дополнительных погрешностей, поэ-
тому в блок каждой реакционной ячейки вмонтированы магнитные
экраны. Тепловое равновесие в приборе устанавливается в тече-
ние 1 ч.
Галетные кольцевые батареи с гальваническими термопарами
описаны в работе [118]. Их отличительной конструктивной осо-
бенностью является применение отжимного внешнего цилиндра
измерительной ячейки и колец для отжима галет у реакционной
камеры, позволяющие улучшить тепловой контакт термобатареи с
реакционной камерой и термостатом. Детали алюминиевые, аноди*
Рис. XIIL43. Плоские реакционные камеры с двумя реагентами:
1 — корпус камеры; 2 — перегородки, [159].
Рис. XIII.44. Измерительная ячейка микрокалориметра с плоскими
реакционными камерами:
1 — теплоотводящие блоки, соединенные с термостатированным блоком; 2 —
плоские термобатареи; 3 — реакционная камера [159].
рованные, улучшающие электрическую изоляцию термобатареи. Ко-
личество термопар в батарее 1200. Способ изготовления галетных
термобатарей для микрокалориметров описан также в работе [8].
Опрокидывающийся микрокалориметр для изучения биохими-
ческих реакций [159]. Применены плоские реакционные камеры
из стали, золота и стекла. Камеры разделены перегородками на
два изолированных объема. Размеры камер из стали 45 X 32 X 10 мм,
толщина стенок около 1 мм, объемы для реагентов ’около 2—3 мл;
из золота — 40 X 40 X 10 мм, толщина стенок 0,6 мм, объемы для
реагентов 5 + 2,5 мл; из стекла — внешние размеры, как у золо-
тых, толщина стенок около 1 мм, объемы для реагентов 4 + 2 мл.
Термобатареи плоские, набраны из галет, каждая галета изготов-
лена осаждением меди на константановую спираль, намотанную
на узкие полосы из майлара. Две батареи охватывают реакцион-
ную камеру по большим плоскостям (рис. XIII. 43). Наружные
поверхности термобатарей находятся в тепловом контакте с пилинд-.
рическим термостатированным блоком (рис. XIII.44) из алюминия
диаметром 150 мм и длиной 140 мм, с горизонтальной осью.Враще-
нием вокруг оси обеспечивается опрокидывание ампул и переме-
шивание реагентов. Блок помещен в термостат с регулятором тем-
пературы, точность регулирования ±0,02 К, колебание темпера-
571
туры блока ±0,002 К. Тепловыделение от опрокидывания не более
1,6 • 10“3 Дж, применение дифференциальных схем с эталонной
жидкостью уменьшает его до 8 • 10“5Дж. В микрокалориметре
наряду с металлическими термобатареями использовались полу-
проводниковые модули, разработанные для термоэлектрического
охлаждения. Регистрация электрического сигнала термобатарей
производится усилителем с самописцем. Относительно большие
количества тепла измеряются с точностью 0,05%, количество тепла
порядка 4 • 10“2Дж — с точностью, большей 1%. Описанный ка-
лориметр выпускается фирмой LKB и известен как прибор
ЛКБ10700-2 или ЛКБ2107-010 [57, 149, 160] (рис. XIII.45).
Микрокалориметр 76-160 фирмы «Setaram» [58] симметричен
с двумя измерительными ячейками, доступ к ячейкам через верх-
Рис. XIII.45. Схема микрока-
лориметра Л КБ 10700-2:
1 — термостатированный блок; 2 —•
реакционная камера; 5, 7 — калиб-
ровочные нагреватели; 4, 6 —• термо-
батареи; 5, 15 — нагреватели; 8 —>
термостат; 9 — механизм опрокиды-
вания; 10 —* регистрирующее устрой-
ство; И — терморегулятор; 12 —•
термистор; 13 —источник тока; 14 —*
регулятор температуры; 16 —> холо-
дильник [57].
нюю заглушку,в которой содержится ввод для электропроводов и ме-
ханического управления. Ячейки помещены в термостатированный
блок с теплоизолированным внешним кожухом из пористого изо-
ляционного материала. Максимально измеряемые мощности 5-^
10 Вт, реакционная камера диаметром 76 мм при высоте 160 мм.
Диаметр прибора 400 мм, высота 500 мм, масса 55 кг.
Дозиметрический калориметр СД50 фирмы «Setaram» [58] ис-
пользуется для измерений теплового действия при распаде радио-
активных веществ. Прибор содержит термостатированный блок
из легкого сплава с двумя симметричными поглощающими ячейка-
ми диаметром 20 мм и высотой 20 мм. Перед рабочей поверхностью,
повернутой к источнику излучения, установлен сильно поглощаю-
щий экран с окном. Стабильность 50—100 мкВт, максимально из-
меряемый уровень мощности 0,3 Вт, линейность не менее 0,2%.
Размеры калориметра; диаметр 80 мм, высота 80 мм.
Среднетемпературные микрокалориметры с расширенным ин-
тервалом низких температур. Микрокалориметр для измерения
кинетики химических реакций [29] (схема прибора приведена на
рис. XIII.46). Термостатированный блок и 10 оболочек для сгла-
живания температуры изготовлены из алюминия. Между шестой
и седьмой оболочками установлены нагреватель и никелевый
термометр сопротивления, которыми поддерживается необходимая
температура при измерениях. Дополнительным нагревателем на
внешней оболочке компенсируется большая часть теплопотерь при
повышенных температурах. Еще один нагреватель вмонтирован
на массивном термостатирующем блоке для быстрого ввода прибора
в требуемый интервал температуры. Это прибор длительного поль-
572
зования, температура поддерживается стабильной в течение многих
суток. Измерительные ячейки содержат по две термобатареи с вет-
вями диаметром 0,5 мм. Батареи расположены радиально в верти-
кальных пазах на поверхностях оболочки реакционной камеры
и внешней оболочки ячейки. Изоляция спаев достигалась оксиди-
рованием поверхности пазов. Сопротивление измерительной бата-
Рис. XIII.46? Схема микрокалориметра для исследования кинетики
химических реакций:
1 —измерительная ячейка; 2 — блок; 3 — оболочка; 4, 6, 7 — нагреватели; 5 —
теплоизоляция; 8 — реакционный патрон; 9 — внешняя оболочка измерительной
ячейки; 10 — термобатарея; 11 — реакционная ампула; 12 — термопара [29].
Рис. XIII.47. Калориметр для изучения скорости восстановления
окислов металлов водородом при температурах до 500° С:
1 — оболочки измерительных ячеек; 2 — стальные иглы; 5, 8 — серебряные ша-
рики; 4 — места спаев термобатарей; 5 — нагреватель реакционной ячейки; 6 —
печь-термостат; 7, 11 —нагреватели крышки и дна термостата; 9 —песок; 10 —
теплопроводящее кольцо; 12 — нагреватель оболочки; 13 — трубка из нержа-
веющей стали; 14 — нагреватель боковой поверхности термостата [62].
реи 88 Ом. Минимальный обнаруживаемый перепад температуры
при 86° С равен 1,85 • 10"?К- Константа Пельтье (0,98 ± 0,01) X
X 10~3Вт/мА.
Микрокалориметр для изучения скорости восстановления окис-
лов металлов водородом при температурах до 500° С [62] содержит
две измерительные ячейки (рис. XIII. 47), вмонтированные в общую
печь-термостат, которая отделена от внешней среды двумя алюми-
ниевыми экранами и железным кожухом. Измерительные ячейки
содержат алюминиевые оболочки и серебряные реакционные ка-
меры, между которыми вмонтированы двойные термобатареи из
проволоки диаметром 0,25 мм. На реакционные камеры намотаны
нагреватели из платиновой проволоки диаметром 0,15 мм, сопро-
573
тивлением 3,7 Ом. В реакционные камеры помещается окисел,
перемешанный с серебряным песком для улучшения теплообмена.
Восстановительная атмосфера вводится в реакционную камеру че-
рез патрубки. Температура статирования оболочек 0,002 К.
Дифференциальный калориметр для определения теплоты сме-
шивания жидких натрий-калиевых нитратов 1129] (рис. XIII.48).
Термобатарея состоит из 96 термопар, установленных между реак-
Рис. XIII.48. Схема калориметра для определения теплоты смеши-
вания натрий-калиевых нитратов:
/ — боковой нагреватель; 2 — реакционная камера; 3 — термостатированный
экран; 4 —- термобатарея; 5 — термостатированный блок; 6 — радиационные
экраны; 7,9 — нагреватель в крышке и дне; 8 — вводные каналы [129].
Рис. XIII.49. Измерительная ячейка калориметра с жидкостным тер-
мостатированием:
/—^реакционная камера; 2 металлический реакционный патрон; 3 — внешний
цилиндр; 4 —контейнер; 5 — термобатарея [167].
дионной камерой и внешним цилиндром и изолированных двойной
(слюдяной изоляцией; спаи на внешнем цилиндре располагаются
в керамических трубках, которые в свою очередь вмонтированы
в гнезда цилиндра. Реакционная камера серебряная, спаи термопар
расположены в специальных пазах. Погрешность измерения коли-
чества тепла более 8 Дж составляет ±1%.
Методы определения параметров микрокалориметров описаны
в работах [19, 27, 40, 99, 106, 156].
Среднетемпературные микрокалориметры с жидкостным термо-
статом. В отличие от конструкций микрокалориметров Кальве тем-
пература измерительных ячеек стабилизируется термостатирован-
ной жидкостью.
574
Калориметр типа BMR [167]. Измерительные ячейки прибора
приведены на рис. XIII.49. В ней использована коническая реак-
ционная камера, охваченная металлическим патроном. Внешний
цилиндр измерительной ячейки помещен в контейнер, который ь
свою очередь погружен в термостатирующую жидкость. Точность
статирования составляет 0,005 К. Две измерительные ячейки
включены дифференциально.
Микрокалориметр с двойными вакуумированными стеклянными
измерительными ячейками (см. рис. XIII. 19). Прибор содержит
систему двойного жидкостного термостатирования: вода от пред-
термостата омывает водяную рубашку, вода в центральной части
блока отделена от предтермостата и перемешивается двумя мешал-
ками. Температурное поле центральной части термостата выравни-
вается толстостенными перфорированными металлическими плас-
тинами. Четыре калориметрические кюветы располагаются в мас-
сивном медном блоке. Точность термостатирования 5 • 10“5К.
Низкотемпературные микрокалориметры представляют собой
обычные микрокалориметры Кальве, охваченные термостатом с ох-
лаждающей жидкостью и дополнительными приспособлениями.
Для расширения интервала температур на внутренней стенке ус-
тановлен электрический нагреватель с терморегулирующим устрой-
ством.
Микрокалориметр фирмы «Setaram» (рис. ХШ.50). Высота
прибора 760 мм, диаметр 360 мм. Рабочий интервал температур от
—196 до 200° С, при откачке над азотом может быть получено допол-
нительное снижение до —205° С. При программированном изме-
нении температуры максимальная скорость при нагреве 50 К/ч,
минимальная 2 К/ч; при охлаждении 50 К/ч —от 200 до —100° С
и 25 К/ч — от —100 до —180° С, минимальное изменение темпера-
туры около 2 К/ч. Расход азота 0,5—3 кг/ч, для быстрого дости-
жения минимальной температуры — около 12 кг. Стабильность
температуры 0,001 К. Пороговая мгновенно обнаруживаемая энер-
гия 100—200 мкДж и 10—20 мкДж на 1 см3 полезного объема.
.Стабильность (максимальное отклонение от нуля) 2 мкВт, воспро-
изводимость 0,2% + порог. Максимальные измеряемые мощности
1 Вт, динамический диапазон ^106. Пороговые значения зависят
от скорости изменения температуры [58].
Высокочувствительные измерительные ячейки для микрока-
лориметров широкого диапазона температур (от — 196 до 600° С)
описаны в работе [31]. Электрическая изоляция термобатарей обес-
печивается пленками А12О3 толщиной 10—50 мкм; сопротивление
изоляции не менее 10 мОм. При использовании других материалов
для деталей ячейки (сталь, медь) слои А12О3 получены плазменным
напылением. Монтаж термобатарей (рис. XI 11.51) бескаркасный —
этим достигается повышение чувствительности и уменьшение инер-
ции. Термоэлементы установлены в направляющих пазах внутрен-
ней и внешней оболочек. Последняя крепится на двух кольцах из
керамики, слюды, стекла, асбоцемента или фторопласта. Термо-
элементы соединены в две термобатареи, соотношение числа эле-
ментов в батареях 4:1; одна батарея измерительная, другая —
компенсационная. Термопары изготовлены пайкой или сваркой
из проволоки толщиной 0,5 мм', 0,2 мм и ^енты толщиной 0,8 мм
в виде пружины или галет. Таким методом изготовлен ряд унифи-
цированных ячеек (их свойства приведены в табл. XIII.4). Па-
575
Рис. XIII.50. Низкотемпературный микрокалориметр «Сетарам»:
1 — система для вакуумирования; 2 — датчик уровня жидкого азота; 3 — канал
для измеряемого образца; 4 — герметичная калориметрическая камера; 5 — объем
для жидкого азота; '6 — нагреватель калориметра; 7 — измерительная ячейка;
8 *- термостатированный блок; 9 — теплоизоляционный кожух [58].
Рис. XIIL51. Конструкция измерительной ячейки для микрокалори-
метров широкого диапазона температур:
/ — термобатарея; 2 —- внутренняя оболочка; 3 — внешняя оболочка; 4 — фик-
сирующие кольца; 5 — контакт термобатареи; 6 — донная термобатарея; 7
пружина для прижима донной батареи [31].
Таблица XIIL4
Параметры измерительных ячеек для низко- и среднетемпературных
микрокалориметров [5/]
Тип ячейки	Рабочий интервал температур, °C	Объем реак- ционной камеры, см8	Ч увствитель- ность, В/Вт	Постоянная времени, с	Коэффициент Пельтье при 20° С, Вт/А '	Сопротивле- ние термоба- тареи, Ом
1	До 400'	7	0,03			1,0	44
ЯК2	От —196 до 250	8,5	0,06	35	1,2	56
ЯК2В	От —196 до 250	20,0	0,06	40	1,2	56
ЯК2Б	От —196 до 250	100	0,05—0,01	40—80	—	НО
ЯКЗ	20—400	8,5	0,06	35	1,2	56
ЯКЗВ	20—400	20,0	0,06	40	1,2	56
ЯВ	От —60 до 200	1,0	0,4	100	—	140
ЯК4	20—600	8,5	0,15	45	0,6	—
576
раметры калориметров с такими ячейками за три пять лет из-
менились не более чем на 5%.
Микрокалориметр МК-2 (рис. XIII.52). Использованы ячейки,
подобные приведенным в табл. XIII.4 [30]. Прибором произво-
дятся измерения в интервале температур от ~ 100 до 150° С. В блок
прибора вмонтирован нагреватель для вывода в температурный ре-
жим и дополнительный нагрева-
тель на одном из радиационных
экранов для стабилизации темпе-
ратуры. Основной холодильник,
Рис. XIII.52. Схема низкотемпературного микрокалориметра МК-2:
1 — основание; 2 — теплообменник; 3, 4 — нагреватель; 5 — экраны; 5 — соеди-
нение для подачи жидкого азота; 7 — корпус; 8 — крышка; 9 — осушитель;
10 —форкамера для предварительного нагрева или охлаждения образцов; 11 —
затворы; 12 — контрольная термопара; 13 — образец; 14 — термобатарея; 15 —
измерительная ячейка [30].
Рис. XIII.53. Высокотемпературный микрокалориметр «Сетарам»:
1 — канал ввода образцов; 2 — коммутатор термобатарей; 3 — измерительная
ячейка; 4 — термостатированный блок; 5 — электронагреватель [58].
охватывающий термостатированный блок, и экраны имеют вид
теплообменника, через который пропускается жидкий азот или
пары азота. Прибор позволяет производить два эксперимента одно-
временно — в нем помещены две измерительные и две компенса-
ционные ячейки, время выхода в режим 8 ч, расход азота в ста-
ционарном режиме не превышает 1,4 л/ч, при выходе в режим —
не более 35 л/ч.
Микрокалориметр для определения теплоемкости малых об-
разцов конденсированной фазы [64]. Измерения производятся при
монотонном нагреве или охлаждении. Основные узлы прибора рас-
положены в вакуумной камере, откачанной до 10'2 мм рт. ст., ка-
19 в-413	577
мера омывается жидким азотом. Термостатированный блок поме-
щен в систему экранов; температура одного из них управляется
манганиновым нагревателем с медным термометром сопротивления.
Теплоемкость образцов объемом до 0,01 см3 измеряется с погреш-
ностью не ниже 2—3%.
Высокотемпературные микрокалориметры. Приборы предназна-
чены для измерений до 1000° С. Термостатированный блок и обо-
лочка в калориметрах, описанных Кальве [41], изготовлены из
жаропрочной нержавеющей стали, каркасы термобатарей—из
прокаленной окиси магния и плавленной окиси алюминия, термо-
батареи — из платины—платинородия, реакционные камеры —
из платины.
Микрокалориметр фирмы «Setaram» [58] (рис. XIII.53). Диа-
метр реакционных камер. 17 мм, высота 80 мм; температура термо-
статирована с точностью не менее 0,05 К. Программный нагрев:
максимальный 50 К/ч, минимальный 0,5 К/ч. Программное ох-
лаждение от 1000 до 400° С: максимальное 25 К/ч, минимальнее
0,5 К/ч. Максимально из.меряемые: мощность 1 Вт, энергия 100 Дж.
Воспроизводимость 0,2% + порог.
Микрокалориметр МКД-5. Схема прибора приведена на
рис. XIII.54. Наружный каркас охлажден водой (расход 1 л/мин).
Время выхода прибора в режим измерения не более 8 ч; скорость
линейного программирования температуры 1—20 К/ч; колебания
и дрейф нуля в изотермическом режиме составляют 10—50 мкВт;
колебание и уход нуля за 1 ч в режиме линейного программиро-
ванного изменения температуры 50—200 мкВт; воспроизводимость
калибровки 1% [36].
Микрокалориметр с предварительным разогревом образца [122,
125]. Термостатированный блок из сплава Fe •— Си окружен систе-
мой радиационных экранов. Внутренний экран содержит электри-
ческий нагреватель (рис. XIII.55).
Калориметр для исследования растворения в расплавах метал-
лов [115]. В нем использованы: термостабилизированный блок, реак-
ционные камеры из нержавеющей стали внутренним диаметром
3,5 см, термобатареи из проволоки диаметром 0,6 мм, система нагре-
вателей и экранов. Весь прибор помещен в вакуумную камеру
(10“4 мм рт. ст.). В реакционные камеры двумя тонкостенными
(0,1 мм) трубками из нержавеющей стали вводятся тигли с раство-
рителем.
Микрокалориметр для изучения тепловых явлений в металлах
и сплавах [75]. Реакционные камеры изготовлены из серебра, в их
полости помещены тонкостенные кварцевые трубки, через которые
вводится исследуемое вещество. Использованы термобатареи в виде
прямоугольных галет из пирофиллита размерами 90 X 14,5 X
X 2,5 мм; на каждой из них размещено 14 термопар из платины —
платинородия, диаметр платины 0,3 мм, платинородия 0,2 мм. Диа-
метр реакционной камеры 28 мм, высота 72 мм, погрешность измере-
ний 2—2,5%.
Микрокалориметр для определения энтальпии веществ мето-
дом падающего тела [6]. Схема калориметра обычная (типа кало-
риметров Кальве). Образец закреплен на пружинном подвесе через
вакуумный разъем и механизм сбрасывания. После вакуумирования
установки, нагрева образца и установления постоянной температуры
образец сбрасывается в калориметр. Измерения производятся при
578
напуске инертной атмосферы до 20 мм рт. ст. Масса измеряемых
образцов несколько сотен миллиграммов, время измерения 12—15 мин.
Р Микрокалориметр для количественной термографии [69]. Из-
мерительные ячейки содержат термобатареи из платинородиевых-
родиевых термопар, вмонтированных на стеатитовых цилиндричес-
Рис. XIII.54. Схема микрокалориметра МКД-5:
1 — корпус с охлаждающей рубашкой; 2 — теплоизоляция; 3 «— основной нагре-
ватель; 4 — экраны; 5 — реакционная камера; 6 — термостатированный блок;
7 — измерительная термопара; 8 — фотокомпенсационный усилитель; 9 интег-
ратор; 10 — полуавтоматический потенциометр; 11 двухканальный самопишу-
щий прибор [36].
Рис. XIII.55. Схема высокотемпературного микрокалориметра [122,
125]:
1 — выводы термопар; 2 — устройство для перемещения образца; термопа-
ра; 4 — отражающие никелевые экраны; 5 — платиновый терморезистор; 6 —
термопара в блоке; 7 — блок Fe—Си; 8 — выводы нагревателя; 9 — отвод к ва-
куумному насосу; 10 — термобатарея; 11 — электрическая печь; 12 — водяное
охлаждение; 13 — кварцевая трубка; 14 — образец; 15 —отвод к вакуумметру;
16 — предварительный подогрев образца; 17 — выводы нагревателя.
ких каркасах. ТермоЭДС батареи 350—480 мкВ/K. При тепловых
эффектах 100—160 Дж ошйбка измерений составляет около 9%,
масса измеряемых образцов 0,6—6,0 г.
Микрокалориметры с полупроводниковыми термобатареями. В
микрокалориметре Кальве [41, 108] использованы полупроводни-
ковые термоэлементы п- и p-типа (Bi2Te3 — Sb2Te3, Bi2Te3— Bi2Se3),
термоэлектрическая добротность материала (1,8—1,9) •
Они компоновались в галеты из 13 термопар и размещались в вер-
тикальных пазах на внешней стороне реакционной камеры и в тер-
19*
579
мостатированном блоке. К реакционной камере диаметром 17,5 м
и высотой 80 мм монтировались 15 галет. Последовательное г
соединение проводилось как для измерительной батареи, так и де-
компенсирующей током Пельтье (рис. XIII. 56). Для уменьшен!
диффузии материала медных коммутационных пластин термоэл
менты предварительно никелировались на участках, подвергав
щихся пайке, сопротивление батареи' 18—24 Ом в интервале 25-
100° С.
Микрокалориметр с ветвями из меди и ZnSb [55]. Конструкцг
измерительной ячейки приведена на рис. XIII. 57. Элементы кол!
Рис. XIII.56. Монтаж термобатарей с полупроводниковыми термо
элементами:
1 —/1-ветвь; 2 —р-ветвь; 3 —медные перемычки; 4 —алюминиевые теплопер*
ходы; 5 — реакционная камера; 6 « термостатированный блок [108].
Рис. XIII.57. Измерительная ячейка микрокалориметра с кольцевь
ми термоэлементами:
1 — измерительная ячейка; 2 — реакционный патрон; 3 — наружный цилинд
измерительной ячейки; 4 — медный электрод; 5 — кольцевой элемент из ZnSb
6, 7 -- облуженные участки, контактирующие с шайбой из медной фольги [55]
цевые, на внутренних поверхностях установлен реакционный пат
рон из дюралюминия. Шайбы из медной фольги соединяют внут
ренние и внешние контактные поверхности .двух близлежащи
полупроводниковых колец. Для обеспечения электрической изоля
ции наружная поверхность реакционного патрона оксидируется
изоляция между кольцами производится тефлоновой пленкой. По
стоянная времени прибора 260 с, минимальная обнаруживае
мая мощность около 10~3 Вт, чувствительность ориентировочна
10’6В/Вт.
Высокочувствительный малогабаритный микрокалориметр -
полупроводниковыми термобатареями [13]. Реакционные камерь
цилиндрические, из меди толщиной 0,5 мм. В них входят кюветь
из нержавеющей стали или латуни. Термостатированный объем
измерительными ячейками установлен в выравнивающем цилиндре
который в свою очередь помещен в изолирующий кожух. Весь при
бор устанавливается в стандартный жидкостный термостат. Врем$
выхода в рабочий режим 12 ч. Для уменьшения влияния тепловы>
возбуждений каналы ввода заполняются пробками поочередно из
материалов с малой и большой теплопроводностью [15].
580
Высокочувствительный дифференциальный переворачиваемый
микрокалориметр для биохимических исследований [12] (рис. ХГТ1.
58) В приборе применены полупроводниковые термобатареи типа
ТБМ-2М в измерительных камерах и термоэлектрические батареи
для стабилизации температуры в автономном термостате. Для сме-
шивания компонентов реакции, предварительно размещенных в реак-
ционной камере с перегородкой, микрокалориметр поворачива-
ется вокруг полуосей. Диаметр ампул для водных растворов не
менее 16 мм, для неводных — не менее 10 мм.
Микрокалориметр «Бион-1» разработан в ГСКБ ТФП. При-
бором могут измеряться тепловые мощности от I • 10“? до 0,2 Вт;
суммарная погрешность измерений при тепловой мощности 1 X
X 10~3 Вт не превышает 0,5%;
время установления стацио-
нарного теплового режима не
превышает 24 ч; потребляемая
мощность не более 1,8 кВт;
размеры 1131 X 615 X 816 мм.
Рис. XIII.58. Схема высоко-
чувствительного переворачивае-
мого микрокалориметра для
биохимических исследований:
1 — теплообменники; 2 — полупро-
водниковые термобатареи для тер-
мостатирования; 3 — полупроводни-
ковые термобатареи; 4 — автоном-
ный термостат; 5 — реакционная ка-
мера с перегооодкой; 6 — полуось;
7 — выравнивающая камера; 8 —
термостатирующие нагреватели; 9 —
кожух; 10 »— термостатированный
блок [12].
Милликалориметр КД-100. Пределы измерений от 10“4 до
3 Вт, воспроизводимость при уровнях измеряемой мощности более
5 • 10“2 Вт не ниже 1%. Необходимая температура в микрокало-
риметрах при изменениях до 100° С достигается внешним жидкост-
ным термостатом. Потребляемая прибором мощность 40 Вт, раз-
меры 430 X 220 X 300 мм.
Варианты микрокалориметров с полупроводниковыми термо-
батареями рассмотрены также в работах [120, 159].
6. Микрокалориметры с двумя
дифференциально включенными термобатареями
(по конструкциям отличные от микрокалориметров
Кальве)
Параметры микрокалориметров приведены в табл, XIII. 3.
Микрокалориметр для измерения тепловых эффектов превра-
щений биополимеров (рис. XIII. 59). Отличительным в конструкции
является применение кроме рабочей и эталонной третьей камеры
Для программирования скорости нагрева. Прибор предназначен
для измерения тепловых эффектов в малых количествах вещества
(0,1—10 мг). Реакционные камеры в виде плоских цилиндров из-
581
готовлены из нержавеющей стали,. Камеры монтируются на тепло-
вом экране, между камерами и экраном расположены термобатареи.
Для калибровки и компенсации тепловыделений реакционные ка-
меры снабжены нагревателями сопротивлением по 500 Ом. Разность
Рис. XIII.59. Схема микрокалори-
метра для измерения структурных
превращений биополимеров:
1 — измерительная камера; 2 — камера
сравнения; 3 — камера для программи-
рования скорости нагрева; 4 — экран;
5 — тепловой экран; 6 — охлаждающий
экран [7].
Рис. ХШ,60. Схема дифференциального калориметра Д. С. К.
«Сета рам»:
1 кв программноуправляемый блок; 2 — наружная оболочка; 3 — тонко-
стенные огнеупорные трубки; 4 =» термобатарея; 5 =— жидкий охлади-
тель [58].
температур измеряется термобатареей с погрешностью 5«10“8 К. Ис-
пользованы два дополнительных экрана для задания теплового
режима измерений, скорость изменения температуры от 0 до 60 К/ч.
Прибор снабжен системами автоматического регулирования нагре-
ва и компенсации тепловыделения [7].
Дифференциальный калориметр Д. С. К. «Сетарам». В нем
в качестве реакционных камер использованы средние части двух
582
тонкостенных огнеупорных трубок, расположенных горизонтально
или вертикально параллельно друг другу. Средние части трубок
соединены с дифференциальными термобатареями (рис. XIII. 60).
Через трубки в калориметр вводятся или выводятся образцы или
прокачивается необходимый газ. Максимальные размеры образцов
для измерений: диаметр 7 мм, длина 10 мм [58].
Микрокалориметр для исследования плоских твердых образцов
[148]. Применены плоские реакционные камеры, позволяющие су-
щественно улучшить отношение поверхности камеры, контактиру-
Рис. XIII.61. Калориметр с плоскими реакционными камерами:
1 — термостатированный блок; 2 — шток отжима; 3 — пружина; 4 — прижимы;
5, //—подвижные термобатареи; 6 —контрольный образец; 7, 9— неподвиж-
ные термобатареи; 8 — неподвижные теплоотводы; 10 — образец [148].
Рис. XIIL62. Микрокалориметр для дифференциального термического
анализа:
/, 5, 9 — теплоизоляторы; 2, 5 — термобатареи; 3, 4 —- измерительная и эталон-
ная камеры из серебра; 6 — нагреватель; 7 — алюминиевый блок [158].
ющей с термобатареей, к объему и достигнуть большего быстро-
действия. Схема калориметра приведена на рис. XIII. 61. В каждой
ячейке использованы две плоские термобатареи, одна из них за-
креплена на неподвижном теплоотводе, вторая — на подвижном,
с пружинным поджимом. Плоские образцы — измеряемый и эта-
лонный — вкладываются между батареями, теплоемкость эталон-
ного образца около 4 Дж/К.
Микрокалориметр для дифференциального термического ана-
лиза [158] приведен на рис. XIII. 62. Конструктивной особенностью
прибора является использование специальных термобатарей
(рис. XIII. 63), уложенных под реакционными камерами. Батарея
изготовлена гальваническим осаждением серебра на константановую
спираль из проволоки диаметром 0,025 мм. Батарея вмонтирована
в диск высотой 2 мм и диаметром 10 мм, для измерений используют
небольшие (0,25—0,001 г) образцы. Аналогичный прибор описан
и в работе [145].
Микрокалориметр повышенной помехоустойчивости. На рис.
XIII. 64 приведена схема такого прибора. Для уменьшения
583
влияния внешних тепловых воздействий на разрешающую спо-
собность прибора спаи дифференциальных термобатарей, обычно
вмонтированные к термостату, располагают- на промежуточном
теплоизолированном блоке [51]. Каждая батарея содержит восемь
секций, равномерно расположенных
вдоль радиусов измерительной ячейки.
В каждой секции 22 термопары. Тепло-
вой контакт батарей с термостатом осу-
Рис. XIII.63. Термобатарея микрокало-
риметра для термического анализа:
; 1 — константановая спираль; 2 серебряное
покрытие [153].
ществляется в средней части ветвей на равном расстоянии от спаев,
поэтому тепловые возбуждения действуют не на спай, а на середину
ветвей и могут вызвать пренебрежимо малые термоЭДС, обуслов-
ленные только неоднородностью материала ветвей.
Рис. XIII.64. Схема микрокалориметра повышенной помехо-
устойчивости:
1,2— тепловые стоки; 3 — наружный блок; 4, 11 — реакционные каме-
ры; 5, 10 — термостатирующие экраны; 6, 9 — термобатареи; 7,8 —
промежуточный блок [51].
Рис. XIIL65. Схема дифференциального микрокалориметра с
плоскими реакционными камерами:
1, 3, 4, 6 — термобатареи; 2, 5 — калибровочные резисторы; 7 — термо-
статированный блок; 8, 11 — направление давления; 9 — измеряемый
образец; 10 — эталонный^бразец [135].
Микрокалориметр с плоскими реакционными камерами, рас-
положенными друг под другом [135J, приведен на рис. XIII. 65.
В каждой измерительной ячейке между двумя батареями распо-
584
ложены плоские реакционные камеры или образцы. Термобата*
реи содержат полупроводниковые
12,5 мВ/K. Две из батарей под-
вижные, ими прижимаются реак-
ционные камеры. В интервале от
0,1 мВт до 1 Вт постоянство пара-
метров прибора не менее 0,2%.
Микрокалориметр для изме-
рения тепловой энергии, выделя-
ющейся в твердом теле при цикли-
ческих напряжениях. В приборе
использованы (рис. XIII. 66) два
полупроводниковых модуля и
трубчатые теплоприемники. В од-
ну из трубок помещен испытуемый
Рис. XIIL66. Дифференциальный
микрокалориметр для измерения
тепловыделений при деформации
проволоки:
/, 5—полупроводниковые термобатареи;
2, 4 — проволочные образцы; 3, 5—цан-
ги; 6 — камера; 7 — изотермический
блок [152].
термоэлементы, развивающие
образец, вторая используется для компенсации внешних тепловых
возмущений. Высота трубки (камеры) 40 мм, диаметр 2,5 мм. При
Рис. XIII.67 Вариант опрокидывающегося микрокалори-
метра:
1 — сосуды Дьюара; 2 — каркас; 3 — горизонтальная полуось; 4 —
термостатированный блок; 5,6 — термобатареи; 7 реакционные ка-
меры; 8 контрольная термопара [94].
585
температуре 300 К чувствительность прибора 0,037В/Вт и монотонно
убывает до 0,012 В/Вт при 100 К. При регистрации тепловых мощ-
ностей больше 20 мкВт на 1 см длины камеры ошибка измерения
не превышает 5%, При вращении образца в камере возникают пара-
зитные потоки, искажающие сигнал термобатареи до 2 мкВ [152].
Микрокалориметр для исследования реакций с несколькими ре-
агентами [94]. Вариант такого прибора приведен на рис. XIII. 67.
В нем использован теплоизоли-
рованный сосудами Дьюара
термостатированный блок ци-
линдрической формы. На внут-
агентами [94]. Вариант такого
Рис. XIII.68. Спиральные батареи опрокидывающегося микро-
калориметра:
1 — термостатированный блок; 2 — каркас термобатареи; 3 — термоба-
тарея; 4 — реакционная камера [94].
Рис. XIII.69. Комбинированная пиро- и термоэлектрическая
измерительная ячейка:
1 — наружная оболочка; 2, 5 — выводы конденсатора; 3 — отверстие
для реакционной ампулы; 4 — реакционная камера; 6 — теплоизолятор;
7 — пироэлектрик с электродом; 8 — спаи термопар; 9 — выводы термо-
батареи [82].
ренней поверхности цилиндра помещены две термобатареи, изготов-
ленные в виде цилиндрических спиралей, навитых на каркас (рис.
XIII. 68). Батареи изготовлены осаждением на каждые полвитка
константана слоя меди. Реакционные камеры имеют формы двойных
полых герметичных цилиндров. На внутренних поверхностях ци-
линдров сделаны углубления, в которые помещены жидкие или
твердые реагенты. Они смешиваются при вращении калориметра
вокруг горизонтальной оси.
Комбинированная измерительная ячейка [82] с термоэлектри-
ческим и пироэлектрическим датчиками приведена на рис. XIII. 69.
На внешней поверхности реакционного патрона и на внутренней
586
поверхности оболочки измерительной камеры помещены пироэлек-
трики, образующие конденсатор, измеряющий изменение темпе-
ратуры реакционной камеры. Как и в обычных измерительных
ячейках, между реакционным патроном и оболочкой установлена
термоэлектрическая батарея, которая в данном случае использу-
ется для компенсации -изменения температуры эффектом Пельтье
Микрокалориметр для градуировки датчиков теплового потока
[43]. Датчик приводится в тепловой контакт с одной из калоримет-
рических ячеек, в другую помещен калибровочный электронагрева-
тель. Термобатареи калориметра большой теплопроводности (высота
около 1 мм, плотность термопар 2000 см“2) включены в дифферен-
циальную цепь. Идентичность калориметрических ячеек достига-
лась при использовании тепловых шунтов, установленных между
термостатированным блоком и термобатареей. В одной из кон-
струкций [68] шунт представляет собой цилиндр из теплопровод-
ного материала с равномерно установленными в его теле винтами.
Перемещение винтов приводит к изменению теплового сопротивле-
ния шунта.
Микрокалориметр для определения поглощения ультразвука
жидкостями [77]. В нем использованы три медь-константановые ба-
тареи (по 20 термопар), расположенные вдоль направления ультра-
звуковой волны в трех секциях плексигласового цилиндра. Рас-
стояние между секциями 5 и 10 мм. По температурам разогрева
жидкости ультразвуковой волной определяется коэффициент по-
глощения, теплоемкость и коэффициент вязкости. Погрешность изме-
рения коэффициента поглощения до 0,2%.
§ 3. Микрокалориметр с вихревыми
датчиками
Спиральные вихревые термоэлементы прямоугольной формы в ре-
жиме поперечного градиента температуры удобны для использо-
вания в микрокалориметрах (рис. XIII. 70). Исследуемое вещество
помещается в полость спирали,
внешние поверхности спирали
термостатируются, выделение или
поглощение тепла фиксируется по
возникающим на концах спирали
термоэлектрическим напряжени-
ям [2, 3, 4]. Использование двух
спиралей позволяет применять
дифференциальную схему.
Рис. XIII.70. Вихревой термоэлек-
трический датчик для микрокало-
риметра:
1 — монокристаллическая спираль; 2 —
полость реакционной камеры; 3, 4 —>
теплоизоляция нижней и верхней полос-
тей камеры [4].
687
Чувствительность датчиков (в A/Вт) для а > Ъ дается форму-
лой
„_________&ab
' od2b)
где Да — анизотропия термоЭДС, а—электропроводность мате-
риала спирали, R — сопротивление регистрирующего прибора.
В условиях максимальной чувствительности
п_____________________________
* ad2b*
Постоянная времени определяется из выражения '
1
а2г| ’
где — наименьший положительный корень уравнения
КаК* tg ^"2" tg ==
’ (ХШ.45)
(XIII.46)
(XIII.47)
(XIII.48)
bQ — толщина реакционной камеры, aj — температуропроводность ис-
следуемого вещества, а2 — температуропроводность материала спирали,
лх = — , Их — теплопроводность ис-
и2
следуемого вещества, х2 — теплопро-
водность вещества спирали, Ка *=
= (ai/a2)1/2.
Значение т для различных b и 60
представлено на рис. XIII. 71. Из
графиков следует возможность по-
Рис. XIII.71. Зависимость постоян-
ной времени вихревого микрокалори-
метра от толщины висмутовой спира-
- ли при различных размерах реакцион-
ной камеры £0:
1 — 0,25 см; 2 — 0,2 см; 3 — 0,1 см; 4 —
0,05 см; 5 — 0,025 см. Реакционная камера
наполнена водой [2].
строения быстродействующих микрокалориметров с постоянной
времени т в интервале 0,2—40 с.
Микрокалориметр со спиральными вихревыми датчиками
(рис. XIII. 72) содержит внешнюю оболочку, радиационные эк-
раны, медный толстостенный и тепловой блоки. Температура внеш-
ней оболочки поддерживается с точностью ±0,01 К. Тепловой блок
с вихревыми термоэлементами защищен от внешних воздействий
толстостенным медным блоком и .двумя алюминиевыми экранами.
Для уменьшения действия внешних тепловых возмущений блоки
симметричны относительно реакционных камер. Конструкцией
588
прибора предусмотрена вакуумная защита от внешних тепловых
воздействий. Вихревые датчики включе'ны в дифференциальную
цепь и соединены с гальванометром фотоусилителя, который для
уменьшения погрешности вмонтирован в термостатированный блок
микрокалориметра. Компенсация тепловыделений может произ-
водиться при использовании двойных спиралей, одна из которых
применяется для регистрации теплового потока, другая — для
Рис. XIII.72. Схема микрокалориметра с вихревыми термодат-
чиками:
— теРмостатиРованный жидкостью вакуумный блок; 2 — толстостен-
ный блок для выравнивания внешних тепловых возмущений; 3 — моно-
кристаллические" спирали; 4 — крышка блока; 5, 6 — радиационные
экраны; 7 — фотоусилитель; 8 — окна; 9, 13 — фторопластовые подпят-
ники; 10 — электрические контакты; И — штуцер для откачки; 12 —
трубка для выравнивания давлений в калориметре и в окружающей сре-
де; 14 — тепловой блок [5].
охлаждения или нагрева поперечным эффектом Пельтье при про-
пускании через спираль электрического тока. Минимальная обна-
руживаемая мощность 10“бВт, постоянная времени датчиков 1,5 с,
объем реакционных камер 10 см?, температурный диапазон измере-
ний 50—150° С, внутреннее сопротивление датчиков 10 Ом. Моно-
кристаллические спирали изготовлены из висмута Микрокалори-
метр применяется для регистрации быстродействующих тепловых
процессов. Измерения могут про*водиться в • любой неагрессивной
газовой среде при давлении от 5 атм до 10”?мм рт. ст.
§ 4. Изотермические микрокалориметры
с компенсацией эффектом Пельтье
Эффект Пельтье для компенсации тепловыделений в реакционных
камерах используется в многочисленных вариантах микрокалори-
метров. Для этой цели термопары, окружающие камеру^ группи-
589
руют в две батареи — измерительную и компенсационную; первая
используется для индикации теплового потока между реакцион-
ной камерой и термостатированной оболочкой, вторая применяется
для компенсации тепловыделений эффектом Пельтье. Тепловыде-
ление или поглощение тепла в реакционной камере определяется
по значению и направлению тока через компенсирующую термо-
батарею. Связь между электрическим током и тепловым потоком
определяется или градуировкой, или расчетным путем при извест-
ных параметрах термобатареи. Выбором направления тока могут
Рис. XIIL73. Типичная схема устройства компенсации эффектом
Пельтье в микрокалориметре:
1 — реакционная ампула; 2 — реакционная камера; 3 — термостатированный
блок; 4 — измерительная батарея; 5 компенсирующая батарея; 6 — гальвано-
метр фотоусилителя; 7 — фотоусилитель; 8 — усилитель мощности; 9 — измери-
тельный прибор; 10 — корректор фазы [131].
Рис. XIII.74. Схема компенсации тепла эффектом Пельтье в микро-
калориметре при использовании одной термобатареи:
1 — реакционная ячейка; 2 — термостатированный блок; 3'—термобатарея; 4 —»
уравновешенный мост; 5 усилитель; 6 — регистрирующий прибор; 7 —- фазо-
вый корректор [131].
быть компенсированы как экзотермические, так и эндотермические
эффекты [39]. В простейших случаях, когда быстродействие изме-
рительного устройства невелико, может использоваться ручная
компенсация [41] — значение тока подбирается таким, чтобы сиг-
нал измерительной батареи равнялся нулю. Разработаны также
схемы автоматической компенсации.
Схема устройства непрерывной компенсации с фотоусилите-
лем, усилителем мощности [131] и корректором фазы приведена
на рис. XIII; 73. Возникающий в измерительной термобатарее
сигнал усиливается фотоусилителем и усилителем мощности и че-
рез 7?С-цепочку вводится в компенсирующую батарею. Регистрация
тока Пельтье производится измерительным прибором.
Особый интерес представляет устройство, позволяющее исполь-
зовать одну и ту же батарею и для компенсации и для индикации
теплового потока (рис. XIII. 74). В схеме использован мост, в одно
из плеч которого включена термобатарея. Одна из диагоналей моста
используется для регистрации теплового потока, к другой подве-
ден ток компенсации. Применение уравновешенного моста позво-
ляет разделить сигнал термобатареи и падение напряжения, вызван-
ное протеканием тока компенсации.
590
Предложены схемы, применение которых приводит к умень-
шению погрешностей, возникающих при компенсации эффектом
Пельтье [20, 24]. Предложена также схема, позволяющая умень-
шить влияние тепла Джоуля в компенсирующих термобатареях
и улучшить линейность между мощностью, выделяющейся в реак-
ционной камере, и током компенсации. Разработаны схемы с авто-
матической импульсной и непрерывной компенсацией [22], широт-
но-импульсной модуляцией [21], частотно-импульсной модуляцией
[26]. На их основе разработаны микрокалориметры с высокими
эксплуатационными параметрами.
Микрокалориметр ДАК1-1 [35]. Для интервала температур
25—200° С диапазон измеряемых тепловых мощностей составляет
10“3—500 мВт при чувствительности не менее 0,15 В/Вт; постоян-
ная времени не более 150 с. В режиме компенсации постоянная
времени не более 20 с, коэффициент Пельтье компенсационных
батарей не менее 0,2 мА/мВт (все данные для’измерений при 100°С).
Объем реакционной камеры 8 см3. Шкалы прибора: в режиме ком-
пенсации 1; 5; 10; 20; 50 мВт, непосредственной регистрации —
0,1; 0,5; 1; 2; 5 мВт. Коэффициент загрубления 1 : 1, 1 : 10, 1 : 100.
Дрейф при изменении окружающей температуры на 1° С не более
5—10 мкВт/K. Прибор снабжен прецизионным интегратором ИП-3.
Микрокалориметры ДАК [18]. В ДАК-4 использована схема
непрерывной компенсации, в ДАК-5 — схема импульсного управ-
ления скважности импульсов. Точность измерения количеств тепла
и тепловой мощности — в пределах 2—4%. Постоянные времени
ДАК-4 — 35 с, ДАК-5 — 55 с.
В микрокалориметре с широтно-импульсным преобразовате-
лем применен фотоусилитель Ф-117/1. Прибор может быть исполь-
зован и в некомпенсированном режиме. В нем применены термоба-
тареи с сопротивлением 250 Ом, обладающие чувствительностью
0,2 В/Вт для реакционных камер 10—15 см3 и 0,4 В/Вт для
камеры 1см3. Постоянная времени прибора не более 150 с, в ком-
пенсированном режиме — 15 с. Диапазон рабочих температур 30—
250° С. Погрешности измерений количества тепла и теплового по-
тока при колебаниях окружающей температуры ±2 К изменяются
от 2,2% + ап% при максимальной чувствительности до 0,1% +
+ ап% при минимальной чувствительности (ап% — погрешность
регистрирующего прибора; все параметры приведены для 100° С).
Дрейф нуля не более 5 мкВт/K. Шкалы прибора: по мощности 0,5;
1,0; 5; 10; 50 мВт, по тепловыделению 5 • 10“2— 5 • 103 N, где N -*•
число переполнения шкалы ЭПП-09 [22].
В табл. XIII. 5 приведены параметры ряда микрокалориметров
типа ДАК [26]. Приборами осуществлена полная автоматизация
всех процессов измерения; реализована регистрация в аналоговой
и цифровой формах; возможно использование микрокалориметра
и без компенсации для достижения максимальных значений отно-
шений сигнал — шум; использованы галеты батарей без изоляцион-
ных подложек, что способствует повышению чувствительности;
предусмотрено терморегулирование термостатированного блока при
выходе на требуемый температурный режим (время выхода 4—
10 ч).
Импульсные схемы, используемые в калориметрии, описаны
также в работах [25, 80, 86, 126], схема интегратора — в работе
[1.17].
591
Таблица XIIL5
Параметры микрокалориметров типа ДАК [25]
Тип микрокалори- метра	Объем реакционной камеры, см3	Рабочий интервал температур, ° С	Чувствительность? В/Вт	Дрейф нуля, мкВт/К	Постоянная времени измерительной ячейки, с	Постоянная времени с тепловой обратной связью, с	Максимальные тепловые мощности измерения*, мВт !	1
И	8	30—200	0,15	5—10	120	12	0,1—50
12	8	.	30—400	0,1	10-20	120	12	0,1-50
13	8	зо—юоо	0,02	100	200	50	1 —50
14	1000	10—70	0,03	100	900	60	10 -1000
21	1,5;8	30—120	0,4	1	210	21	0,025—50
22	8	От—60 до 120	0,15	2	120	12	0,050—50
♦ Могут быть увеличены в 10 и 100 раз «загрублением» чувствительности
измерительных батарей.
Известны варианты изотермических микрокалориметров [113].
у которых измерения температуры (реакционной камеры) произ-
водятся термометром сопротивления, компенсация изменения тем-
пературы — термобатареей. Выравнивание температуры в камере
достигается непрерывным перемешиванием жидкости. Реакцион-
ные камеры изготовляются из теплопроводящего материала, в дно
вмонтирована термобатарея. Объем камеры 4 мл, точность стати-
рования температуры ±2 • Ю^К. Подобное устройство описано
в работе [162].
§ 5.	Адиабатические микрокалориметры
1.	Схемы калориметрических установок
Одной из основных задач при конструировании адиабатических
микрокалориметров является обеспечение минимального тепло-
обмена образца (реакционной камеры) с окружающей средой.
Термопары или батареи термопар используются в основном для
измерения температуры и для регистрации разности температур
между образцом и адиабатическими экранами или между эталоном
и образцом. На рис. XIII. 2, XIII. 3 приведены широко исполь-
зуемые схемы адиабатических установок. Встречаются также мно-
гочисленные другие варианты этих схем, разработанные для улуч-
шения точности измерений и удовлетворения специфическим тре-
бованиям.
В ранних конструкциях микрокалориметров условия, близкие
к адиабатическим, создавались экранами, омываемыми жидкостью
с контролируемой температурой [132]. Такие приборы имеют огра-
592
ниченное применение, относительно узкий рабочий диапазон тем-
ператур и недостаточное быстродействие. Более приемлемыми яв-
ляются схемы микрокалориметров с экраном из материала с боль-
шой теплопроводностью (на экране монтируются нагреватели).
Однако внешние тепловые воздействия при измерениях в широком
температурном интервале могут существенно влиять на темпера-
туру экрана, понижая тем самым точность измерений. Повышение
точности достигается при использовании внешнего дополнитель-
Рис. XIII.75. Схема дифференциального адиабатического мик-
рокалориметра:
/, 2 — трубчатые вводы; 5, 4, 5,- 6f 1516 — нагреватели; 7, 9 «—рабо-
чая и эталонная реакционные камеры; 8 — термобатарея; 10t 11, 13, 14 —.
адиабатические экраны; 12 — пропорционально-интегральный регулятор;
17 — пропорциональный регулятор [67].
ного экрана (печи) и внутреннего, адиабатического, расположенного
между печью и образцом [56].
Схема, позволяющая повысить чувствительность микрокало-
риметра [67], изображена на рис. XIII. 75. Калориметрические
реакционные камеры выполнены в виде плоскопараллельных дис-
ков; нагреватели расположены на поверхности камер термобатареи
по ободу. Тепловые экраны имеют вид двух тождественных полу-
объемов, например полусфер. Экраны двойные, тонкостенные, из
материала с высокой температуропроводностью; нагреватели рас-
положены равномерно по поверхностям экранов. Нагреватель внут-
реннего экрана подключен к пропорциональному регулятору мощ-
ности, наружного — к пропорционально-интегральному. При-
менение разных регуляторов обусловлено различными тепловыми
условиями. Внутренний экран практически не подвержен тепло-
обмену, и его температура может быть точно установлена пропор-
циональным регулятором; на внешний экран при повышении тем-
пературы все в большей степени влияет внешнее тепловое воздейст-
593
вне, поэтому для уменьшения отставания температуры он соединен
с пропорционально-интегральным регулятором. Камеры наполня-
ются исследуемым веществом и выгружаются через вертикальные
трубчатые вводы с малой теп-
лопроводностью.
Для исключения искаже-
ния температурных полей ка-
меры и экраны расположены
симметрично: плоскости сим-
метрии тепловых экранов и
Рис. XIII.76. Адиабатический
микрокалориметр с двойным
экраном и вводом измеряемой
жидкости:
/, 17, 19— нагреватели; 2 — термо-
батарея; 3 — наружный адиабатичес-
кий экран; 4, 10 —камеры; 5, 8, 15t
16 — крепление экранов; 6, 7—ввод-
ные патрубки; 9, 18 — терморегуля-
торы; 11—каркас; 12— наружная
поверхность экрана; 13, 14 — внут-
ренние поверхности экранов [150].
реакционных камер взаимно перпендикулярны. Вариант конструк-
ции такого микрокалориметра приведен на рис. XIII. 76.
2.	Низкотемпературные микрокалориметры
В литературе описаны многочисленные варианты низкотемператур-
ных адиабатических калориметров [61]. Для повышения точности
измерений предложено использовать реакционные камеры с двумя
термобатареями — для измерения температуры и для охлаждения
эффектом Пельтье [44, 45]. Ниже приводится описание вариантов
типичных конструкций микрокалориметров.
Микрокалориметр для определения теплоемкостей в интервале
12—300 К [33] приведен на рис. XIII. 77. Калориметрическая
ампула с исследуемым веществом помещается в тонкостенный мед-
ный цилиндр, на который навит константановый нагреватель
(1,2 кОм). Цилиндр изготовлен из меди толщиной 0,05 мм, позо-
лочен, ампула из платины, при измерениях герметизируется пайкой.
В полость ампулы вмонтирован платиновый термометр сопротивле-
ния. Цилиндр с ампулой подвешен на капроновых растяжках.
Адиабатический экран из меди, внутренняя поверхность посереб-
рена. Между экраном и цилиндром вмонтированы медь-золотоко-
бальтовые дифференциальные термопары (2 ат. % кобальта). Вто-
рым экраном устраняется теплоотвод через элементы, связывающие
калориметр с внешней средой. На экранах установлены электри-
ческие нагреватели. Калориметрическая система с экранами помеще-
на в вакуумную оболочку и погружена в сосуд Дьюара. Измерения
производятся в вакууме (2 • 10“6— 5 • 10“7 мм рт. ст.); откачкой
над водородом достигается температура 12 К. Относительная
ошибка измерения теплоемкости ±0,2%.
Дифференциальный калориметр [128] для определения тепло-
емкости веществ методом теплового моста. Ячейка изготовлена
594
из двух образцов: исследуемого и с известной теплоемкостью. Об-
разцы соединены теплопроводящей перемычкой из нержавеющей
стали (рис. XIII. 78). К образцам вмонтированы нагреватели и
спаи дифференциальной термопары. Абсолютная температура из-
* меряется германиевым термистором и платиновым термометром
сопротивления. При нагревах с равными скоростями разность тем-
ператур между образцами отсутствует. Скорость нагрева равна
Рис. XIII.77. Схема низкотемпературного адиабатичес-
кого микрокалориметра:
1 — ампула; 3 — второй экран; 4 — припой для герметизации ам-
пулы платиновой крышкой 2; 5 — медные втулки с нагревателем;
6 — терморезистор; 7t — адиабатический экран [33].
Рис. XIII.78. Схема, поясняющая метод относительного
измерения теплоемкости адиабатическим калориметром:
1 — дифференциальная термопара; 2f 8 нагреватели; 3 — обра-
зец; 4 — теплопроводящий стержень; 5, 6 терморезисторы; 7 —*
эталонный образец [128].
отношению подводимой к образцу тепловой мощности к его тепло-
емкости, откуда при известных мощностях нагревателей и извест-
ной теплоемкости эталона определяется теплоемкость исследуемого
образца. В калориметре между образцами установлена термопара
из Ан + 0,07% Fe и хромеля. Такая же термопара вмонтирована
между образцами и адиабатическим экраном. В интервале темпе-
ратур 1,5—400 К погрешность определения теплоемкости не выше
Микрокалориметр для термодинамических исследований с реак-
ционной камерой [81] объемом 0,3 см3 приведен на рис. XIII. 79.
Камера калориметра изготовлена из платины толщиной 0,2 мм.
На камеру бифил яр но намотан платиновый термометр сопротивле-
ния. Нагреватель из константана толщиной 0,04 мм навит на медный
595
керн в центре камеры, сопротивление нагревателя 80 Ом. Камера
герметично закрывается крышкой. В крышку вмонтирован капилляр
для напуска гелия, улучшающий теплообмен. Применены двойные
адиабатические экраны. Камера и экраны подвешиваются на кап-
роновых нитях. Для улучшения адиабатичности использована теп- *
ловая ловушка. Прибор помещается в объем с жидким азотом
или гелием. Адиабатические условия поддерживаются автомати-
чески, разность температур контролируется дифференциальными
термопарами. Между экранами вмонтированы медь-константановые
термопары, между камерой и экраном — термопары из золото +
+ кобальт — хромеля. Максимальная разность температур между
камерой и адиабатическим экраном не превышает 2 • 10“4 К при
комнатных температурах и 5 • 10“4 К при 13 К. Прибор предназна-
Рис. XIII.79. Схема микрокалоримет-
ра с двумя адиабатическими экранами:
1 — откачная труба; 2 — сосуд Дьюара;
3 — тепловая ловушка; 4 — уплотняющий
фланец с фторопластовой прокладкой 5;
6 — кольцо; 7 — вакуумная камера; 8 —
дополнительный тепловой экран;' Р, 16, 17—
жгуты подводящих проводников; 10, 14 —
контактные панели со скобками из меди;
11, 12 — адиабатические экраны со штыко-
выми затворами; 13, 15 —нагреватели экра-
нов; 18 — трубки для вывода проводников;
19 — медный капилляр; 20 — платиновая
крышка; 21 — цилиндрическая камера; 22-
нагреватель калориметра; 23 — медный ка-
пилляр; 24, 25 — медцуе штыри; 26 — мед-
ный керн; 27 — терморезистор; 28 — крыль-
чатка из посеребренной меди [81].
чен для измерений в интервале 12—300 К. Погрешность измерений
не выше 1%. Подобная конструкция приведена также в работе [79].
Прецизионная калориметрическая установка для измерений
в интервале 1,5—350 К описана в работе [1]. В приборе применены
платиновые и германиевые термометры сопротивления для изме-
рения температуры исследуемого образца и термопары золото +
+ кобальт — хромель для регулировки температуры на адиаба-
тических экранах. Погрешности при измерениях теплоемкости не
более 1% в интервале 1,5—4,2 К; 0,3—0,5% в интервале 4,2—15 К;
0,1% выше 15 К.
Для исследования теплоемкости малых количеств вещества
используют реакционные камеры небольших объемов (До 0,1 см3).
При таких условиях могут стать существенными погрешности,
вызванные влиянием теплоемкости термометров сопротивления. Для
уменьшения этой погрешности предложено размещать измеритель
температуры вне камеры, например на адиабатическом экране, а
равенство температур вещества и экрана контролировать батареей
термопар [16, 42, 85]. Таким методом могут измеряться с'необхо-
димой точностью теплоемкости, на образцах массой от десятых до-
лей до нескольких граммов.
Известны конструкции микрокалориметров, где для измерения
температуры наряду с термометрами сопротивления используют
596
термопары [17, 84,138] или нестандартные малогабаритные термомет-
ры [16, 49, 164]. Электронные схемы для обеспечения условий адиа-
батичности описаны в работе [54].
3.	Среднетемпературные микрокалориметры
Типичная конструкция дифференциального микрокалориметра [66]
приведена на рис. XIII. 80. Реакционная и эталонная камеры рас-
положены внутри двойного адиабатического
экрана. Токоподводы к камерам находятся
в тепловом контакте с экранами. Экраны
медные, никелированные, с толщиной сте-
нок 0,05 мм. На них манганиновым прово-
дом бифилярно намотаны нагреватели. Раз-
ность температур между экранами реги-
стрируется медь-константановыми термопа-
рами, между экраном и камерами — четырь-
мя хромель-константановыми. Конструкция
калориметрических камер приведена
[Вакуум
на
7
6-
5-
гр
hJ От насоса
-ю
2-
I"
К насосу
—г
5Н
№
9

Рис. XIII.80. Схема адиабатического калориметра для
исследования структурных переходов в макромолеку-
лах:
1, 2 — адиабатические экраны; 3 — реакционная камера; 4 —
тепловой экран; 5 —вакуумный кожух; 6 —водяной кожух; 7,
8 — терморезисторы; 9 — нагреватель воды; 10—термодатчик;
11 — серебряный ободок;. 12 —пенопласт [66].
Рис. XIII.81. Калориметрические камеры:
1—каркас компенсирующего нагревателя; 2 — манганиновый
провод; 3 — пробка из золота; 4 — вывод нагревателя; 5 — кор-
пус реакционной камеры; 6 — стальной стержень; 7 — термобата-
рея [66].
рис. XIII. 81. Две камеры соединены между собой стальным
стержнем диаметром 0,3 мм. Объем камер 0,5 мл, толщина сте-
нок 0,1 мм. Термобатарея между камерами из 30 хромель-кон-
стантановых термопар диаметром 0,07 мм и длиной 4 мм. В камерах
597
размещены нагреватели из манганина диаметром 0,05 мм, сопро-
тивлением 200 Ом, намотанные на золотые цилиндры толщиной
50 мкм. Измерения производятся в вакууме 10-6мм рт. ст. Все уст-
ройство помещено в водяную оболочку; между оболочкой и наруж-
ным адиабатическим экраном установлена термопара При повыше-
нии температуры теплообмен с окружающей средой возрастает,
поэтому в приборе использован дополнительный нагреватель, ком-
пенсирующий потери тепла. Изменение температуры камеры при
теплопоглощении компенсируется нагревателем. По мощности
нагревателя определяется значение теплового эффекта. Прибор
предназначен для исследования структурных переходов в макро-
молекулах. Минимальная мощность, регистрируемая прибором,
2 • 10"7 Вт при скоростях прогрева от 0,2 до 0,05 К/мин. Упрощен-
ный вариант калориметра с компенсацией тепловыделения описан
в работе [111].
Для точного измерения теплоемкости [9, 11],- как и в низко-
температурных микрокалориметрах, использован метод электро-
теплового моста, основанный на нагреве двух тел с одинаковой
скоростью в адиабатических условиях. Теплоемкость одного из тел
известна. Между телами вмонтирована термобатарея. При одина-
ковых скоростях нагрева температуры тел равны,- поэтому
^1 = ^2
Сх С2
(XIII.49)
где Wi, W2 — мощность нагревателей, Cf и С2 — теплоемкость
исследуемого вещества и эталона. Если условие равенства скорос-
тей нагрева нарушено, между телами возникает разность темпе-
ратур
(XIII.50)
где t — время.\Даже при небольшой разности скоростей по исте-
чении достаточно большого времени ДТ становится большим, по-
этому метод в принципе позволяет со сколь угодно большой точностью
обеспечить одинаковые скорости нагрева. В формуле (XIII. 49)
отношение мощностей может быть заменено отношением сопротив-
лений нагревателей, вмонтированных на эталонном и исследуемом
образцах. Схема калориметра приведена на рис. XIII. 82. Прибор
состоит из внутренней камеры с исследуемым веществом, спираль-
ных термобатарей и внешней оболочки из материала с известной
теплоемкостью (латуни). Оболочка изолирована от внешней среды
адиабатическим экраном. Разность температур между оболочкой
и камерой определяется термобатареей из 1000 спиральных медь-
константановых термопар, изготовленных электролитическим осаж-
дением. Диаметр камеры 30 мм, длина 100 мм. Внутри камеры вмон-
тированы медные перегородки для выравнивания температуры.
Время установления квазистационарного режима камеры около
20 мин, оболочки — около 1 мин. Погрешность измерения тепло-
емкости составляет 0,03—0,05%.
Микрокалориметр для измерения малых тепловых эффектов.
В приборе также использован метод непрерывного нагрева [10];
при одинаковой скорости нагрева двух тел в адиабатических условиях
изменение тепловой мощности исследуемого процесса компенси-
598
ровалось изменением мощности нагревателя. В приборе, разрабо-
танном для измерения теплот адсорбции на малых поверхностях,
тепловые эффекты мощностью (3—5) • 10“4Вт измерялись с погреш-
ностью ±0,3%. Наименьшее значение мощности, которое изме-
рялось с погрешностью ±5%, равнялось 3,2 • 10Вт. Схема при-
бора приведена на рис. XIII. 83.
Рис. XIII.82. Схема адиабатического калориметра для измере-
ния теплоемкости:
1—камера; 2, 5—спиральные термобатареи; 3 — латунная оболочка;
4 — адиабатический экрат$ 6 —нагреватель камеры'[11].
Рис. XIII.83. Дифференциальный адиабатический калориметр
для измерения теплот абсорбции на малых поверхностях:
1 — реакционная камера; 2 — трубка ввода; 3 — затвор водяной рубаш-
ки; 4 — съемная крышка; 5 — контактная планка; 6 — экран; 7, 11, 14—
термобатареи; 8 — водяная оболочка; 9 — второе нагреваемое тело, ади-
абатическая оболочка; 10 — измерительный нагреватель; 12 — водяндй
штуцер; 13 — нагреватель адиабатической оболочки [10].
Микрокалориметр для исследования теплот переходов в раст-
ворах [114]. Использованы две реакционные камеры, в одну из них
помещается исследуемый образец, в другую — чистый раствори-
тель. На оболочки камер нйвиты нагреватели сопротивлением 100 Ом.
Нагреватели включены последовательно. Между камерами распо-
ложена термобатарея из 25 термопар хромель—константан диа-
метром 0,08 мм. Спаи батарей погружены в растворы. Разность
температур между сосудами возникает, если в одной из них при
разогреве выделяется дополнительное тепло. Оно фиксируется тер-
мобатареей, которая управляет цепью обратной связи и регулирует
599
мощность, подводимую к нагревателю, с тем, чтобы поддерживать
обе камеры при одинаковой температуре. Разностью подводимых
к камерам энергий определяется тепловыделение исследуемого
объекта. Равенство температур между сосудами обеспечивается
с точностью ±10-5 К. В микрокалориметре использован дополни-
тельный терморегулятор, удерживающий равными температуры
камер и адиабатического экрана с точностью ±0,01 К. Скорость
нагрева регулируется от 1 К/мин до 1 К/ч. Измеряемый интервал
температур от — 10 до 90° С. Диаметр камеры 16 мм, высота 18 мм,
толщина стенки 0,05 мм. Материал камеры никель, она изготовлена
гальваническим -осаждением и позолочена. Масса камеры 0,7 г.
Тепловые эффекты порядка 10 Дж/л определяются с точностью
±2%. Такой же принцип работы зало-
жен и в микрокалориметре для измерения
теплот превращения полимеров [1231.
Схема прибора приведена на рис. ХИГ.
84. В нем использованы две идентичные
Рис. XIII.84, Дифференциальный кало-
риметр для измерения теплоты превра-
щения полимеров:
1 —реакционные камеры, эталонная и рабочая}
2 — термобатарея; 3, 4 — адиабатические экра-
ны; 5 — проволока из нержавеющей стали; 6 —•
нейлоновая нить [123].
плоские камеры, между ними на тефлоновом кольце помещена
термобатарея из 140 термопар медь—константан, изготовленных
гальваническим методом. Потери тепла сводятся к минимуму двумя
адиабатическими экранами. Объем реакционных камер И мл; при
повышении температуры камер на 10° С, соответствующем выделе-
нию около 1200 Дж, прибором измеряются тепловые эффекты
0,8 Дж с погрешностью ±1%.
На основе адиабатических микрокалориметров воспроизво-
дится и осуществляется передача единицы удельной теплоемкости
в интервале средних температур. В интервале от 273 до 700 К еди-
ница удельной теплоемкости воспроизводится калориметром С-2,
который входит в состав государственного первичного эталона [83].
4.	Высокотемпературные калориметры
По принципу работы не отличаются от средне- и низкотемператур-
ных. Их отличительными конструктивными особенностями явля-
ются: применение высокотемпературных термопар (Au — Pd, Pt —
Rh), использование дополнительной многоэкранной тепловой изо-
ляции и адиабатических экранов для уменьшения тепловых потерь
при высоких температурах, применение соответствующих темпе-
ратуростойких конструкционных материалов (нержавеющих ста-
лей, глинозема и др.). Например, в работе [151] описан калориметр
для изучения дефектов в интервале 350—1000 К. Прибор регистри-
рует минимальное тепловыделение около 10 мкВт. Одновременно
измеряется и электрическое сопротивление образцов. Погрешность
измерений не выше 0,2%.
600
Разработаны схемы для обеспечения равенства температур из-
мерительных камер и адиабатических экранов {52, 53, 72, 74, 121,
153], а также схемы дозаторов энергии для калориметрических
нагревателей [28].
Для воспроизведения и передачи единицы теплоемкости де
температур 1337 К разработан калориметр С-3 [50]. Объем реакцион-
ной камеры (контейнера) прибора около 100 см3. Для регулирования
температуры адиабатических экранов применены батареи термопар.
Точность обеспечения адиабатичности 2 • 10-4К, суммарная погреш-
ность измерения удельной теплоемкости не выше 0,7%.
§ 6.	Проточные микрокалориметры
Типичная конструкция микрокалориметра [144, 161] приведена
на рис. XIII. 85 В нем использованы две плоские реакционные
камеры с полупроводниковыми термобатареями. Одна из них ра-
бочая, другая — эталонная Для уменьшения влияния внешних
тепловых возмущений батареи камер включены встречно. Конструк-
ция камер предусматривает практически полную теплоотдачу теп-
леть' реакции термобатареям.
Рис. XIII.85. Схема проточного микрокалориметра:
1 — теплопроводящий термостатированный блок; 2, 4 —рабочие блоки а термо
батареями и реакционными камерами; 3—центральный блок; 5 — термостат
6 — резервуар для отработанных реагентов; 7 — насос; 8 — регистрирующе?
устройство; 9 — прибор для записи [144, 161].
Рис. XIII.86. Конструкция реакционной камеры проточного ‘микро-
калориметра:
1 — теплопроводящий корпус со змеевиком; 2, 3, 4 — пробки с отверстиями для
перемешивания; 5,8 — входные каналы; 6,7 — нагреватели для градуировки
[144, 161].
Конструкция реакционной камеры приведена на рис. XIII 86
Реагенты подводятся в канал камеры по двум входным отверстиям
Поверхность канала покрыта золотом, тело камеры серебряное
Для полного перемешивания жидкости на пути ее движения уста
новлены три пробки с отверстиями. На рисунке стрелками пока
заны направления движения вводимых и выводимых жидкостей
Для градуировки прибора используются электрические нагрева
тели, расположенные в начале зоны смешения жидкостей и в тел<.
смесительной камеры. Развитая поверхность камеры обеспечивает
601
надежный отвод тепла от жидкости термобатареям. Теплопрово-
дящий блок изготовлен из двух алюминиевых цилиндров диаметром
150 мм и длиной 200 мм. Блок покрыт пенопластом толщиной 20 мм,
охвачен кожухом и помещен в жидкостный термостат, температура
которого поддерживается с точностью 0,005 К. Реагенты подводятся
по золотым трубкам диаметром 0,6 мм и длиной около 500 мм. Труб-
ки находятся в хорошем тепловом контакте с центральным термо-
статирующим блоком. Вводы в реакционную камеру произведены
также трубками диаметром 0,6 мм, сечение канала в реакционной
камере 1,5 X 1,5 мм2. Прибор регистрирует тепловые мощности
около 400 мкВт с точностью 0,1% и мощности около 40 мкВт с точ-
ностью 1%. Минимальные регистрируемые мощности около 4 мкВт
при устойчивом стационарном течении реагентов на протяжении
12 ч. Скорости потоков жидкости в течение 48 ч изменяются менее
чем на 0,1%. Погрешности, вызванные изменением скорости потока
жидкости в интервале 0—0,17 мл/мин, меньше 3% Систематичес-
кие погрешности, вызванные движением жидкости (трением),
определяются при прокачке прореагировавшей жидкости Прибо-
ром могут производиться исследования в отсутствие газовой фазы,
т е. в условиях, исключающих влияние реакций поглощения
и взаимодействия с окружающей атмосферой
Дифференциальный проточный микрокалориметр [14] повы-
шенной точности. Прибор содержит две цилиндрические реак-
ционные камеры с полупроводниковыми термобатареями типа
ТБМ-2М, вмонтированными симметрично в выравнивающий блок
(рис. XIII. 87). Жидкие реагенты предварительно термостатируются
в теплообменниках и через смесители вводятся в реакционную ка-
меру Повышение чувствительности достигается симметричным рас-
положением термобатарей, увеличением числа термоэлементов (по
108 в каждой батарее) и применением дополнительного выравни-
вающего цилиндра с симметричными теплообменниками. При ра-
боте в интервале температур от — 5 до 55° С микрокалориметр
помещается в термостат.
Быстродействующий проточный микрокалориметр [124]
(рис XIII. 88) Блок калориметра помещен в сосуд Дьюара, на-
полненный водой. В приборе использованы термобатареи: диффе-
ренциальные — для измерения теплового эффекта реакции; между
реакционными камерами и адиабатическим экраном — для регули-
рования температур экрана; между экраном и корпусом — для
выравнивания температуры жидкости в сосуде Дьюара Реагенты
вводятся в калориметр по двойным коаксиальным тефлоновым
трубкам: одна из жидкостей — по внутренней трубке, другая —
между трубками. Реакция протекает в тефлоновой трубке, намо-
танной на алюминиевую катушку. На нее же намотан калибровоч-
ный электронагреватель. Термоэлементы тороидальной формы на-
мотаны на нейлоновые кольца. Управление температурами экрана и
кор пуса электронное. Максимальный расход жидкости 0,00250 мл/с.
Быстродействие прибора 10—20 с, абсолютная погрешность теп-
ловых измерений около 0,08 • 10"6Вт.
Микрокалориметр ЛКБ10700-1 [57] разработан фирмой LKB
(рис. XIII. 89). В нем использованы две реакционные камеры (ра-
бочая и эталонная), теплообменник для термостатирования реаген-
тов и термостатирующее устройство. Тепловой эффект определяется
термобатареей в рабочей измерительной ячейке. Калибровка при-
602
бора производится электрическими нагревателями. Параметры при-
бора близки к описанным в работах [144, 161].
Микрокалориметр ЛКБ2107-020 фирмы LKB. Проточные
реакционные камеры изготовлены из золотых трубок, внутренний
Рис. XIII.87. Схема проточного микрокалориметра повышенной точ-
ности:
/ — выравнивающий блок; 2 — теплообменник; <?, 6 — термобатарея; 4, 5 — ко-
аксиальные реакционные камеры; 7 — выравнивающий цилиндр; 8, 10 — тепло-
изоляция; 9 — щелевой теплообменник; 11 — теплообменник в термостате;
12, 14 — калибровочные нагреватели; 13, 15 — смесители [14].
Рис XIIL88. Схема быстродействующего проточного микрокалори-
метра:
1,4 — измерительный термоэлемент; 2,5 — термоэлементы оболочки; 3t 14 —
термоэлементы экрана; 6 — паз для проводов термоэлемента; 7 —трубопровод
малого диаметра; 8— трубопровод камеры, провода нагревателя и термоэлемен-
тов; 9 — паз для проводов нагревателя; 10, 16 — винты; 11 — трубопровод ка-
меры; 12 — импульсные нагреватели; 13 — катушка камеры; 15, 17—корпусы;
18 — уплотняющее кольцо; 19 — кольцо адиабатического экрана; 20 — заглушка
[124].
Рис. XI 11.89. Проточный мик-
рокалориметр ЛКБ:
1 — термостатированная камера; 2,
3 — насосы для прокачки реагентов;
4 — рабочая реакционная камера;
5 — нагреватель; 6 — эталонная ре-
акционная камера; 7, 13 — термоба-
тареи;.#, 12 — калибровочные нагре-
ватели; 9 — теплообменник; 10—тер-
мистор; 11—термистор водяного
термостата; 14, 15 •— измерительное
и регистрирующее устройства; 16,
18 —терморегуляторы; 17 — источ-
ник тока; 19 — электрический нагре-
ватель; 20 — холодильник [57].
объем камер 1 мл. Измерительные ячейки снабжены калибровоч-
ными электронагревателями (сопротивление 50 Ом). Интервал
603
температур, при котором могут производиться измерения, 0—20° С.
Конструкция аналогична Л КБ 10700-1.
Сорбционный микрокалориметр ЛКБ2107-030. В нем приме-
нены сорбционные реакционные камеры, изготовленные из пирек-
са, тефлона, золота. Объем камер 0,5—0,7 мл. Максимальная тем-
пература измерений при использовании проточных камер 180° С,
при использовании камер для разовой загрузки — до 480° С. Как
и ранее, здесь использованы по две плоские термобатареи в каждой
измерительной ячецке,' охватывающие боковые поверхности ка-
мер.
Усовершенствованный вариант калориметра «Бекман'» (мо-
дель 190) для биофизических исследований описан в работе [163].
В приборе платиновые трубки за-
менены тефлоновыми, использо-
вана смесительная камера из фто-
ропласта, в термобатарею введена
физически идентичная система
сравнения.
Прецизионный проточный м и-
крокалориметр для измерения теп-
лот химических реакций (рис.
XIII. 90). В нем применены две
идентичные измерительные ячейки
с термобатареей из двухсот тер-
Рис. XIII.90. Конструкция про-
точного микрокалориметра для из-
мерения теплот химических реак-
ций:
1 — адиабатическая оболочка; 2 —
вводные трубки; 3 — выводная трубка?
4 — пара калориметрических ячеек;
5 — термобатарея [154].
мопар медь—константан с гальваническим покрытием из меди (соп-
ротивление батареи 100 Ом). Измерение тепловых эффектов про-
изводится методом электрической компенсации [154]. В одной из
ячеек смешиваются два раствора с одинаковой температурой. Из-
мерительные ячейки помещены в адиабатический экран с автома-
тическим регулированием температуры, экран в свою очередь по-
мещен в термостат. Время измерения около 100 с при расходе ре-
агентов 10-3см3/с, тепловой эффект 4 мДж измеряется с точно-
стью 1%.
Предложена конструкция микрокалориметра для исследования
термогенеза микробиологических суспензий высокой концентра-
ции [50]. Применение для этой цели обычных проточных микро-
калориметров приводит к засорению капилляров. В нем .исполь-
зованы две цилиндрические измерительные камеры с поршнями
для засасывания эталонной жидкости и суспензии. Перемещение
поршней производится пружинами и сжатым воздухом. Тепловы-
деления в камерах определяются двумя термобатареями, включен-
ными встречно.
604
ЛИТЕРАТУРА
1.	Ала пина A. B.t Душечкин Ю. А., Сухаревский Б. %. Прецизионная калор;
метрическая установка с рабочим интервалом температур 1,5-—300 К-—
Теплофиз. свойства веществ и материалов, 1976, вып. 9, с. 113—125.
2.	Анатычук Л. И., Михайленко А. Д. О быстродействии микрокалориметра,— ‘
ИФЖ, 1976, 31, № 6, с. 986-989.
3.	Анатычук Л. И. Малоинерционный микрокалориметр с вихревыми термо-
электрическими датчиками.— ПТЭ, 1974, № 1, с. 260.
4.	Анатычук Л. И., Лах В. И., Лусте О. Д. и др. Быстродействующий микро-
калориметр с вихревыми термоэлементами.— ПТЭ, 1974, № 5, с. 225—227-
5.	Анатычук Л. И., Демчук Б. Н., Лусте О. Редько Ю. Ф. Микрокалори:
метр с вихревыми термоэлектрическими датчиками: Проспект.—Б.м .
ВДНХ СССР, 1975.—6 с.
6	Архипов В. А., Добрецрв В. Н., Перкатова Л. С., Устинов В. А. Калори- .
метрическая установка для определения энтальпии веществ методом падаю-
щего тела в интервале температур 350—1100° К- — ЖФХ, 1975, 49, № 5.
с. 1329—1331.
7.	Бакрадзе Н. Г., Монаселидзе Д. Р. Прецизионный дифференциальный ми-
крокалориметр.—Измер. техника, 1971, № 2, с. 58—60.
8.	Березин Г. И. Простая и высокочувствительная батарея термопар для из-
мерения температуры поверхности тел.— Завод, лаб., 1959, № 4, с. 484—485.
9.	Березин Г. И., Киселев А. В., Синицын В. А. Теплоемкость адсорбционной
системы силикагель—вода.—Докл. АН СССР, 1960, 135, № 3, с. 638—641.
10.	Березин Г. И., Киселев А. В., Сердобов М. В. Дифференциальный адиаба-
тический калориметр с непрерывным нагревом и непрерывной подачей аб-
сорбата для измерения теплот абсорбции на малых поверхностях.— ЖФХ,
1962, 36, № 9, с. 2091—2095.
11.	Березин Г. И.( Киселев А. В.9 Синицын В. А. Метод электротеплового
моста для точного измерения теплоемкости.—ЖФХ, 1962, 36, № 2, с. 401 —
404.
12.	Великов А. А., Вичутинский A. А.9 Лиепиныи А. К. и др. Высокочувстви-
тельный дифференциальный переворачиваемый реакционный микрокалори-
метр для биохимических исследований.—В кн.: Шестая Всесоюз. конф,
по калориметрии. Тбилиси, 1973, с. 529—533.
13.	Вичутинский А. А., Заславский Б. Ю. Малогабаритный дифференциальный
микрокалориметр.—ЖФХ, 1972, 46, № 1, с. 259—261.
14.	Вичутинский A. A.f Садовский Н. А. А.с. 329416 (СССР). Проточный ми-
крокалориметр.— Опубл. 28.03.72.
15.	Вичутинский А. А., Заславский Б. Ю. А.с. 317318 (СССР). Дифференци-
альный микрокалориметр.— Опубл. 21.03.74.
16.	Воронель А. В., Гарбер С. Р., Мамницкий В. М.9 Щекочихина В. В. Раз-
работка методики калориметрических измерений на малых количествах
веществ в интервале температур 14—300 К-—Тр. метрол. ин-тов СССР,'
1967, вып. 92, с. 66—85.	•
17.	Воронель А. В., Воронов В. П., Гарбер С. Р. и др. Термодинамические ис-
следования вблизи точек фазовых переходов.— В кн.: Физика твердого
тела и термодинамика. Новосибирск, 1971, с. 81—105.
18.	Гальперин Л. Н.Г Колесов Ю. Р., Зеленое Н. А. Автоматические диффе-
ренциальные микрокалориметры.—ЖФХ, 1970, 44, № 2, с. 525—527.
19.	Гальперин Л. Н., Машкинов Л. Б., Батылин В. В. Прецизионный интег-
ратор медленно меняющихся сигналов.— ПТЭ, 1970, № 6, с. 122—125.
20.	Гальперин Л. Н., Колесов Ю. Р-, Машкинов Л. Б. и др. А.с. 290184 (СССР).
Дифференциальный микрокалориметр.— Опубл. 18.02.71.
21.	Гальперин Л. Н., Колесов Ю. Р., Машкинов Л. Б. и др. А.с. 309258
(СССР). Дифференциальный микрокалориметр.—Опубл. 03.09.71.
22.	Гальперин Л. Н., Машкинов Л. Б., Колесов Ю. Р. Дифференциальный
автоматический микрокалориметр.— ПТЭ, 1972, № 1, с. 233.
23.	Гальперин Л. Н., Колесов Ю. Р., Васильев П. К. и др. А.с. 335554 (СССР).
Микрокалориметрический элемент.—Опубл. 16.05.72.
24.	Гальперин Л. Н., Колесов Ю. Р.9 Машкинов Л. Б.* Зеленое Н. А. А.с.
342087 (СССР). Дифференциальный микрокалориметр.—Опубл. 20.09.72.
25.	Гальперин Л. Н., Колесов Ю. Р., Машкинов Л. Б.^ Забродин В. А. А.с.
353157 (СССР). Способ определения неидентичности ячеек дифференциаль-
ных калориметров.— Опубл. 06.10.72.
26.	Гальперин Л. И., Колесов Ю. Р., Машкинов Л. Б., Гернер Ю. Э. Диффе-
ренциальные автоматические калориметры (ДАК) различного назначения.—
В кн.: Шестая Всесоюз. конф, по калориметрии. Тбилиси, 1973, с.539—543.
27.	Гальперин Л. Н.9 Колесов Ю. Р., Либерман А. Е и др. Комплекс авто-
605
магических приборов для прецизионной калориметрии.—В кн.: Шестая
Всесоюз. конф, по калориметрии. Тбилиси, 1973, с. 544—548.
28.	Гальперин Л. Нч Неганов А. С., Колесов Ю. Р., Машкинов Л. Б. Преци-
- вионные задатчики и измерители энергии калориметрических нагревате-
лей.—ПТЭ, 1975, № 6, с. 165—168.
29.	Галюк О. С., Рубцов Ю. И., Малиновская Г. Ф., Манелис Г, Б. Микрока-
лориметр для исследования кинетики химических реакций.— ЖФХ, 1965
39, № 9, с. 2319—2322.
30.	Галюк О. C.t Карякина И. Л., Батурин С. M.s Кукушкин В. И. Низко-
температурный микрокалориметр.—ЖФХ, 1972,- 46, № 5, с. 1342—1346.
31.	Галюк О. С., Кукушкин В. И., Фирюлин К- Н. Измерительные ячейки для
калориметров Кальве.— ПТЭ, 1973, № 6, с. 179—182.
32.	Геращенко О. А., Дехтяренко П. И., Карпенко В. П. Анализ схем авто-
матического регулирования дифференциального калориметра.— Тр. ин-тов
Ком. стандартов СССР, 1962, вып. 64, с. 197—207.
33.	Горбунов В. Е., Палкин В. А. Низкотемпературный микрокалориметр.—
ЖФХ, 1972, 46, № 6, с. 1625-1628.
34.	Гусаковская И. Г. Дифференциальный калориметр для исследования кине-
тики полимеризации.—Завод, лаб., 1967, 33, № 5, с. 652—653.
36.	Дифференциальный автоматический калориметр ДАК-1-1: Проспект.— М.,
Б.г.—3 с.—(АН СССР. Упр. науч, приборостроения).
36.	Дифференциальный микрокалориметр МКД-5: Проспект.— М.# Б.г.—3
с.—(АН СССР. Упр. науч, приборостроения).
37.	Завадовская Е. К., Кузьмина А. В., Тимошенко Н. М., Шишкин И. С.
Применение дифференциально-термической калориметрии для измерения
энергии, запасенной ионными кристаллами при облучении.— ПТЭ, 1966,
№ 5, с. 215-217.
38.	Завадовская Е. Кч Кузьмина А. В., Головчанский Е. М. Автоматическая
микрокалориметрическая установка.—ПТЭ, 1966, № 5, с. 217—219.
39.	Исирикян А. А., Сарахов А. И. Использование эффекта Пельтье в кало-
риметрии.— Изв. АН СССР. Сер. хим., 1968, № 6, с.1385—1387.
40.	Иткин В. П., Могутное Б. М., Половое В. М. Микрокалориметрический
метод исследования.—Завод, лаб., 1971, № 3, с. 289—294.
41.	Кальве Прат А. Микрокалориметрия.— М.:Изд-во иностр, лит.,- 1963.—*
477 с.
42.	Камилов И. К.* Шахшаев Г. М. Вакуумный адиабатический калориметр
для измерения теплоемкости образцов малого размера.—Науч, сообщ.
(по естеств. и техн, наукам) Дагест. ун-та, 1968, вып. 2, с. 22—26.
43.	Карпенко В. Г., Геращенко О. А., Чимисов Ю. М. А.с. 284363 (СССР). Ка-
лориметр для тепловой и температурной градуировки термоэлектрических
датчиков теплового потока.— Опубл. 11.01.71.
44.	Кизирия Е. Л., Ройнишвили Е. Ю. Абсолютный калориметр, действую-
щий в режиме нагрева и охлаждения.—ПТЭ, 1971, № 1, с. 241—244.
45.	Кизирия Е. Л., Ройнишвили Е. Ю. А.с. 340912 (СССР). Адиабатический
калориметр.—Опубл. 23.06.72.
46.	Козырев Б. П., Шевелева Т. Ю. Высокочувствительный термоэлектрический
микрокалориметр рентгеновского излучения.—ПТЭ, 1970, № 6, с. 193—195.
47.	Козырев Б. П., Шевелева Т. Ю. Термоэлектрическая микрокалориметрия
рентгеновской и гамма-радиации.—Изв. ЛЭТИ, 1972, вып. 101, с. 44—50.
48.	Козырев Б. П., Шевелева Т. Ю. Чувствительность теплового метода изме-
рения интенсивности рентгеновского излучения.— Метрология, 1973, № H.-
с. 52-56.
49.	Колесов В. П., Лушников В. Н. Микрокалориметр для определения чис-
тоты веществ.— ЖФХ, 1969, 43, № 4, с. 1046—1049.
50.	Корягин В. В., Чирков И. М., Черепенин Ю. Г. и др. А.с. 496476 (СССР).
Проточный дифференциальный калориметр.— Опубл. 25.02.76.
51.	Крылов В. И. А.с. 335555 (СССР). Дифференциальный микрокалориметр.—
Опубл. 16.05.72.
52.	Кулагин В. И. Адиабатический калориметр для измерения теплоемкости
твердых тел в интервале температур от 600 до 1337° К-— Тр. метрол. ин-
тов СССР, 1976, вып. 187, с. 30—31.
53.	Ландия Н. А., Чуприн А. А., Чачанидзе Г. Д. Автоматическое регулиро-
вание температуры оболочки высокотемпературного адиабатического кало-
риметра смешения.— Теплофизика высок, температур, 1965, 3, № 6, с.
910-913.
54.	Мамницкий В. М. Автоматический регулятор адиабатического режима
низкотемпературного калориметра.— ПТЭ, 1967, № 2, с. 193—197.
55.	Мананников Б. П., Панкратов В. Н. Микрокалориметр с малой постоян-
ной времени.—ЖФХ, 1972, 46# № 3, с. 787—788.
56.	Минина В. Д-i Князев В. E.f Никонов В. B.t Степанов В. С. А.с. 373551
(СССР). Адиабатический калориметр.^ Опубл. 12.06.73.
606
57.	Микрокалориметрическая система ЛКБ: Проспект. Б.м.,- Б. г.—10 с.—
фирма LKB.
58.	Микрокалориметры Кальве от—206° С до 1500° С: Проспект. Б.м., Б.г
56 с.—Фирма Setaram.
59.	Могутное Б. М., Половое В. М., Шварцман Л. А. Микрокалориметр дл>
исследований медленных тепловых явлений в металлах.— Завод, лаб
1968, 34, № 4, с. 486—488.
60.	Мчедлов-Петросян О. П., У шеров-Маршак А. В., Слипушенко В. П., Ур-
женко А. М. Дифференциальный микрокалориметр для исследования дис-
персных систем.— В кн.: Шестая Всесоюз. конф, по калориметрии Тби-
лиси, 1973, с. 580—584.
61.	Низкотемпературная калориметрия: Пер. с англ.—Мл Мир, 1971.—264 с
62.	Павлова-Веревкина А. И., Хомяков К. Г. Калориметр для изучения ско-
рости восстановления окислов металлов водородом при температурах до
500° С.— ЖФХ, 1965, 39, № 12, с. 3108—3111.
63.	Пирузян Л. А., Розенфельд М. Л.,- Максимова И. A.f Бражников Е. М.
А.с. 306363 (СССР). Микрокалориметр.—Опубл. 13.08.71.
64.	Половое В. М., Гаврилов Н. М. Микрокалориметр для измерения тепло-
емкости при температуре 80—300° К-— ПТЭ, 1973,- № 5, с. 236—238.
65.	Попов М. М. Термометрия и калориметрия.— Мл Изд-во Моск, ун-та,
1954.—943 с.
66.	Привалов П. Л., Монаселидзе Д. Р. Автоматический ’адиабатный диффе-
ренциальный микрокалориметр для исследования структурных переходов
в макромолекулах.—ПТЭ, 1965, № 6, с. 174—178.
67.	Привалов П. Л., Плотников В. В. А.с. 328776 (СССР). Адиабатический
дифференциальный микрокалориметр.—Опубл. 14.11.74.
68	Путилин Н. И., Чимисов Ю. М., Геращенко О. А. и др. А.с. 298841 (СССР)
Дифференциальный калориметр для медико-биологических исследований.—
Опубл. 18.05.71.
69.	Резницкий Л. Л.,- Холлер В. А.; Филиппова С. Е. Дифференциальный
микрокалориметр для проведения количественной термографии.— ЖФХ-
1970, 44, № 2, с. 534—535.
70.	Розенфельд М. Л., Пирузян Л. Л. Микрокалориметрическая установка для
исследования биологических объектов.— Изв. АН СССР. Сер. биол., 1972,
№ 2, с. 272—274.
71.	Розенфельд М. Л., Пирузян Л. Л., АЛадердян К. Г. А.с. 334512 (СССР),
Микрокалориметрическая кювета.— Опубл. 19.05.72.
72.	Рудаков Д. Д., Фель Ю. И., Серых Г. М. и др. Математическая модель
адиабатного калориметра переменной температуры с автоматическим под-
держанием режима.—Изв. вузов. Энергетика, 1971, № 10, с. 93—97.
73.	Сень А. Л., У шеров-Маршак А. В. Изотермический дифференциальный
микрокалориметр для изучения медленно протекающих реакций со слабым
тепловым эффектом.—В кн.: Машины и приборы для испытания материа
лов. М., 1971, с. 173—176.
74.	Сергеев О. А., Френкель И. М. Автоматическое регулирование адиабати-
ческих условий.—Тр. Метр, ин-тов СССР, 1971, вып. 129, с. 199—227.
75.	Сикоров В. Н., Уманский Д. C.t Эпштейн Г. Н. Высокотемпературный
микрокалориметр для изучения тепловых явлений в металлах и сплавах.—
Завод, лаб., 1970, № 9, с. 1132—1134.
76.	Синицын В. В., Сукин Л. В., Булатов М. А. Многоточечный дифферен-
циальный калориметр для исследования кинетики фотоинициированных
реакций.—ЖФХ, 1975, 49, № 5, с. 1331—1333.
77.	Скублевский Е. М. Ультразвуковой микрокалориметр для исследования
жидкостей.—Тр. ЦНИИ чер. металлургии, 1963, вып. 34, с. 88—93.
78.	Скуратов С. M.f Стрепихеев А. А., Канарская Е. Н. Калориметрическое
исследование реакции полимеризации е-капролактама.— Коллоид, журн.,
1952, 14, № 3, с. 185-191.
79.	Соколов В. А., Шарпатая Г. А. Калориметр малого объема для опреде-
ления теплоемкости при низких температурах! Теплоемкость хлористого
кальция.—ЖНХ, 1964, 9, № 7,- с. 1542—1546.
80.	Солохненко A. Е., Дубовицкий Ф. И., Гальперин Л. Н. и др. А.с. 271076
(СССР). Автоматический микрокалориметр.— Опубл. 13.08.70.
81.	Суховей К. С., Анишин В. Ф., Пауков И. Е. Вакуумный адиабатический
микрокалориметр объемом 0,3 см8 для термодинамических исследований
веществ в интервале 12—320° К.--ЖФХ, 1974, 48, № 6, с. 1589—1593.
82.	Тараянц К. Г. А.с. 263940 (СССР). Калориметр.—Опубл. 30.06.70.
83.	Френкель И. М., Сергеев О. А. Государственный первичный эталон едини-
цы удельной теплоемкости твердых тел в интервале температур от 273,15
до 700 К. — Измер. техника, 1975, № 4f с. 45—49.
607
84.	Хлюстов В. Г., Чашкин Ю. Р., Шавандрин А. М. Низкотемпературный
адиабатический микрокалориметр для измерения теплоемкости твердых
тел.—Тр. метрол. ин-тов СССР, 1971, вып. 129, с. 111—115.
85.	Хлюстов В. Г., Чашкин Ю. Р., Силин А. Т. Исследование метрологических
характеристик адиабатического калориметра с контейнерами объемом 3
и 0,1 см8.—Тр. метрол. ин-тов СССР-, 1976, вып. 187, с. 67—71.
86.	Хризман С. С. А.с. 154691 (СССР). Автоматический дифференциальный ка-
лориметр для измерения потерь в ферромагнитных материалах.— Опубл.
12.10.63.
87.	Хризман С. С. Релейная схема автоматики дифференциального калори-
метра.—Контрол. измер. техника, 1966, вып. 3, с. 105—109.
88.	Шевелева Т. Ю- Работа высокочувствительного термоэлектрического микро-
калориметра в импульсном режиме- —Изв. ЛЭТИ, 1974,- вып. 142,- с. 93-^
95.
89.	Юревич Л. В., Солдатов В. С. Высокочувствительный калориметр для из-
мерения малых тепловых эффектов.—ЖФХ, 1972, 46, № 1, с. 264—266.
90.	Barberi Р. Microcalorimetre miniaturise.—Rev. gen. therm.t 1972, 11,-
N 124, p. 303—305.
91.	Barkalow В. H., Baldwin К. M. A differential emissivity calorimeter.—Rev.
Sci. Instrum., 1969, 40, N 4, p. 535—538.
92.	Bellarby P. W. The energy dissipated in electrical leads in calorimetry.—
J. Phys. E: Sci. Instrum., 1971, 4, N 3, p. 153—156.
93.	Benjamin L., Benson G. C. Thermal conduction in a Tian-Calvet microcalo-
rimeter.—Can. J. Chem., 1962, 40, N 4, p. 601—609.
94.	Benzinger T. H. Пат. 3273968 (США). Heat-burst microcalorimeter.— Опубл.
20.09.66.
95.	Berger R. L.f Chick Y.t Davids N. Differential microcalorimeter for bioche-
mical reaction studies.—Rev. Sci. Instrum., 1968, 39, N 3, p. 362—368.
96.	Biros J., Endrys J. Mikrokalorimetr s tepelnym tokem (Tian-Calvet).—Chem.
listy, 1971, 65, N 1, S. 77-85.
97.	Blet-Talbot D- Mise au point d’un microcalorimetre pour l’6tude des semi-
conducteurs.— C.r. Acad, sci., 1957, 245, N 25, p. 2224—2227.
98.	Blet-Talbot D- Mise au point-d’un microcalorim6tre differentiel simple a
constante de temps faible.— J. phys. et radium, 1958, 19, N 7, p. 102A—
108A.	,
99.	Boivinet P., Calvet E. Etalonnage d’un microcalorimetre au moyen d’une
substance radioactive de debit thermique constant.—C.r. Acad, sci., 1954,
238, N 20, p. 1995—1997.
100.	Braun M.; Kohlhaas R. Uber Auswertemethoden kalorimetrischer Verfahren.—
Z. angew. Phys., 1962, 14, N 2, S. 91—99.
101.	Bros J. P. Bilan thermique d’un faction chimique? evaluation au microca-
lorimetre Tian-Calvet.— Rev. gen. therm., 1971, 10, N 120, p. 1059—>068.
102.	Calvet E. La microcalorim6trie.—J. Atomes, 1956, N 118, p. 49—55.
103.	Calvet E. Пат. 3059471 (США). Calorimeter.—Опубл. 23.10.62.
104.	Calvet E.f Chovin P., Moureu H., Tachoire H. Microbombe calorimetnque
adaptable au microcalorim6tre type E. Calvet.— J. Chem. Phys., 1960, 57,-
N 7/8, p. 593—596.
105.	Calvet E.t Tachoire H. Adaptation d’une microbombe en verre au calorimet-
re Calvet.—J. Chem. Phys.,- 1962, 59,- N 7/8,-. p. 788—791.
106.	Calvet E., Duquesne R. Sur l*6talonnage des microcalorimetres par le seul
emploi de 1’effet Peltier.— J. Chem. Phys.f 1964, 61, N 3, p. 303—305.
107.	Calvet E. Schematisation de la transmission de chaleur dans les calorim6tres
a conduction.—J. Phys.,- Appl., 1965, 26,- N 10,- p. 207A—213A.
108.	Calvet E., Guillaud C. Etude d’un microcalorimetre equips avec des thermQ-
61ements semi-conducteurs.—C.r. Acad, sci.,- 1965, 260,- N 7₽ p. 525—528.
109.	Camia F. M. Microcalorim6trie et inertie thermique.— Colloq. int. CNRS,
1967, N 156, p. 83—91.
110.	Cerny S., Ропес V., Hftidek L.^ Analogue simulation of adsorption calorimet-
ry.—J. Chem. Thermodyn., 1970,2,- N 3, p. 391—397.
111.	Charuel R., Traynard Ph. Microcalorimetre differentiel dtude de la stabilite.-*
J. chim. phys. et phys.-chim. biol., 1955,- 52, N 6, p. 441—446.
112.	Chavet I. High detectivity microcalorimeters.— J. Sci. Instrum.,- 1963, 40,-
N 8, p. 391—398.
113.	Christensen J. J., Gardner J. W.t Eatough D. J.f Izatt R. M. An isothermal
titration microcalorimeter.—Rev. Sci. Instrum.,- 1973, 44, N 4,- p. 481—484.
114.	Clem T. R.t Berger R- L.f Ross P. D. A differential adiabatic microcalori-
meter for the study of heats of transition in solution— Rev. Sci. Instrum.
1969r 40, N 10, p. 1273-1277.
115.	Darby J. B., Rleb R., Rleppa O. J. Twin liquid metal solution calorime-
ter.—Rev. Sci. Instrum., 1966,- 37,- N 2,- p. 164—167.	-
608
r ifi Dubinin M. M.t Isirikyan A. A.f Sarakhov A. I.t Serpinsky V. V. The diffe-
110, rential heat of adsorption of water and propane vapours on types A and X
synthetic zeolites measured with an improved Tian—Calvet microcalorime-
+Л — Ini Proc. 1st. Intern. Conf. Calorimetry and Thermodyn. Warsaw, 1969,
Aug. 31-Sept.4. Warsaw, 1969, p. 381-387.
ii7	Fichholz J. L, Darby J. B. Jr. Electronic integrator for use with a differen-
Hal calorimeter.—Rev. Sci. Instrum., 1963, 34,- N 11, p. 1274-1275.
ня Fnsleu E. K., Scholz H. А. Пат. 3798003 (США). Differential microcalorime-
118‘ fer._r Опубл. 19.03.74.
110	Evans W. J-* McCourtney E. J.r Carney. W. B. A microcalorimeter especially
suited for the study of small quantities of materials.—Anal. Chem., 1968,
40 N 1, P- 262-264.
190	Evans W. J-, McCourtney E. J., Carney W. B. A microcalorimeter using se-
’ miconductors as the sensing elements.—Chem. Instrum., 1969, 2, N 2, p.
249—255.
191	Forrest W- W.f Stephen V. A. Analogue circuit for accurate evaluation of
small power inputs in microcalorimetry.— J. Sci. Instrum. E, 1968, lf N 10,
p. 1024—1025.
i->9	Fuhrman A. Z., Guarini G.f Schiavinl О. M. Un microcalorimetro persolidi,-
funzionante da 20° C a 1000° C.— Nuovo cim.,- 1964, 34, N 6, p. 1774—1780.
193	Gill S. J., Beck K. Differential heat capacity calorimeter for polimer tran-
sition studies.— Rev.Sci. Instrum., 1965, 36, N 3, p. 274—276.
124	Gill S. J-, Chen Yeong-Igi (Norman). Rapid response flow microcalorimeter.—
* Rev. Sci. Instrum., 1972, 43, N 5, p. 774-776.
125.	Guarini G- Metodi della calorimetria moderna e loro contribute allo studio dl
alcuni fondamentali aspetti della struttura della materia.— Energ. nucl.r
1967, 14, N 5, p. 306—317.
126.	Harrison B. A. Pulsed-current control and measurement system for precision
microcalorimetry.—Rev. Sci. Instrum., 1972,- 43, N 5, p. 766—774.
127.	Hodges D. J-, Acherjee B. An isothermal microcalorimeter.—Lab. Pract.,
1965, 14, N 7, p. 842—850.
128.	Jones R. W-, Knapp G. S., Veal B. W. A new differential calorimetry tech-
nique.—Rev. Sci. Instrum., 1973, 44, N 7t p. 807—810.
129.	Kleppa 0. J. A new twin high-temperature reaction calorimeter. The heats of
mixing in liquid sodium-potassium nitrates.—J. Phys. Chem., 1960, 64,
N 12, p. 1937—1940.
130.	Kraszewski S. Пат. 64600 (ПНР). Sposob zamocowywania termostosu zwlasz*
cza w kalorymetrach.— Опубл. 31.03.72.
131.	Laffitte M.^Camia F., Coten M. Пат. 1566743 (Франция). Calorim6tre d flux
a transfer! par effet Peltier.—Опубл. 31.03.69.
132.	Laffitte M. Methodes d’etudes thermochimiques developp^es au centre de re-
cherches de microcalorimetrie et de thermochimie du C.N.R.S.— Colloq. int.
CNRS., 1972, N 201, p. 135—151.
133.	Laville M. G. Th6orie generale du microcalorim6tre Calvet.—C.r. Acad, sci.,-
1955, 240, N W, p. 1060—1062.
134.	Laville M. G- Etalonnage experimental du microcalorimetre Calvet.— C.r. Acad,
sci., 1955, 240, N 11, p. 1195-1197.
135.	Macqueron J. L., Navarro J., Ouziel L. et al. R6alisation d’un microcalori-
m6tre d’etude. D6termination de son domaine de linearite.— C.r. Acad. sci.
B, 1972, 275, N 15, p. 529-532.
136.	Madejski J. Heat transfer equation for microcalorimetrie devices.—Bull.
Acad. pol. sci. Ser. sci. chim., 1968, 16, N 5, p. 279—282.
137.	Madefski J. Radiation heat transfer in microcalorimeters.—Bull. Acad. pol.
sci. Ser. sci. chim., 1968, 16, N 5, p. 283—287.
138.	Mainard R., Kleinclauss J., Fousse H. Calorimetre adiabatique a temperature
variable et a surfaces d’6 changes spheriques.— Rev. phys. appl.,- 1970,- 5,
N 6, p. 823—838.	*
139.	Marchidan D. I. Microcalorimetrul sistem Calvet si aplicatiile lui.—Stud. si.
cere.' chim., 1966, 14, N 8, p. 547—562.
140.	Margas E., Zielenkiewicz A., Zielenkiewicz W. The effect of external distur-
bances on calorimeter steady-state temperature fluctuations in thermostat-ca-
lorimeter system.—Bull. Acad. pol. sci. Ser. sci. chim., 1970, 18, N 5,
p. 271—275.
141.	Margas E., Zielenkiewicz A., Zielenkiewicz W. The effect of external distur-
bances on the average temperature in the calorimetric system in steady-state
conditions.—Bull. Acad. pol. sci. Ser. sci. chim., 1970, 18, N 5, p. 277—281.
142.	Mikro-Differentialkalorimeter.— Materialpriifung., 1972, 14, N 11, S. 401.
143.	Mikro-Differentialkalorimeter Тур MCB.—Werkstoff Techn., 1972, 3, N 10*
S. 36.
144.	Monk P., Wadsd I. A flow micro reaction calorimeter.— Acta chem. scand.,
J§68, 22, N 6, p. 1842—1852.
20 9413	609
145.	Ooijen Van H. Een isotherme microcalorimeter voor kwantitatieve differen-
tiaal thermische analyse.—TNO nieuws, 1968, 23, N 3, biz. 136—141.
146.	Pennington S. N., Brown N. D. Construction and operation of a benchtop
four-element instrument for analyt'cal microcalorimetry.—Chem. Instrum.,
1969, 2, N 2, p. 167—176.
147.	Petit I. L. These. Lyon, 1962, N 289, p. 3—30.
148.	Petit I. L., Bale C. Bloc a cellules reactionnelles planes pour calorim6trie
differentielle a flux.—C.r. Acad. sci. B, 1968, 267, N 26, p. 13 80—1382.
149.	Precision calorimetry.—Chem. Proc., 1969, 15, N 7, p. 42—47.
150.	Privalov P. Plotnikov V. V. Пат. 3879983 (США). Differential scanning
calorimeter for thermal analysis of liquids.— Опубл. 29.04.75.
151.	Ryan E. A., Jackson J. J. Calorimeter for simultaneous measurements of
stored energy and resistance.—Rev. Sci. Instrum.,- 1969, 40, N 12’, p. 1580—
1584.
152.	Sinickl G-i Macqueron J. L. Etude d’un calorimetre destine a la mesure de ener-
gie dissipee dans un solide soumis a des contraintes cycliques.— C.r. Acad,
sci. B, 1967, 264, N 25, p. 1697—1699.
153.	Smith G. R-, Sale F. R. An automatic-programming and data-logging system
for use in isothermal and adiabatic calorimetry.—J. Phys. E; Sci. Instrum.,
1971, 4,- N 5, p. 366—371.
154.	Stoesser P. R.f Gill S. J. Precision flow-microcalorimeter.— Rev. Sci. Instrum.,
1967, 38, N 3, p. 422—425.
155.	Swietoslawski W. Microcalorimetry.—New York! Reinhold Publ. Corp., 1946.—•
187 p.	,
156.	Tachoire H.f Roux R. Etude experimentale de la constante de temps intrins6que
.du microcalorimetre E. Calvet.—C.r. Acad, sci., 1965, 261, N 1, p. 63—66.
157.	Thouvenin Y.t Rousseau A. Possibility d’emploi d’un microcalorim6tre Calvet
aux tres grandes sensibilites.—Colloq. int. CNRS, 1967, N 156, p. 19—27.
Discuss, p. 28—29.
158.	Waal H. Quantitative differential thermal analysis with an isothermal micro-
calorimeter.—Instrum. Pract., 1965, 19, N 11, p. 1022—1028.
159.	Wadsd I. Design and testing of a micro reaction calorimeter.— Acta chem.
scand., 1968, 22, N 3, p. 927—937. -
160.	Wadsd I. De doorstroom-microcalorimeter als een analyse —apparaat voor bio-
chemie en verwante gebieden.— Chem. weekbl., 1969, 69, N 4, biz. 9—11.
161.	Wadsd I.t Monk P. R. Пат. 329025 (Швеция). Satt och anordning for konti-
nuerlig analys av vatskor modelst mikrokalorimetrisk matning av vatskans
varmeflode.— Опубл. 28.09.70.
162.	Walisch W., Becker F. Isotherme Kalorimetrie mit automatisch gesteuerter
Peltier — Kiihlung und fortlaufender Integration der Kompensation sleis-
tung.—Z. Phys. Chem. Neue Folge., 1963, 36, N 1/2, S. 97—102.
163.	Weber R.W., Hinz H. J. Improved flow microcalorimeter for biophysical stu-
dies.—Rev. Sci. Instrum., 1976, 47, N 5, p. 592—594.
164.	Westrum E. F.t Hatcher J. B., Osborne D. W. Microcalorimeter for studies of
small samples.—J. Chem. Phys., 1953, N 21, p. 419—425.
165.	White J. L.j Royama R. Application of differential thermal calorimetry to
measurements of stored-energy release in metals.—Rev. Sci. Instrum., 1963,
34, N 10, p. 1104—1110.
166.	Zlelenkiewicz W.f Czarnota Ronarska H. The dynamic model of a differen-
tial microcalorimeter.— Bull. Acad, pol.sci. Ser. sci. chim., 1970, 18, N 2,
p. 99—102.
167.	Zielenkiewicz W. Dynamic properties of BMR differential calorimeter.—Bull.
Acad. pol. sci. Ser. sci. chim., 1973, 21, N 4, p. 333—338.
Глава XIV. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ
ИЗЛУЧЕНИЯ
§ 1.	Общая характеристика
термоэлектрических приемников
излучения
1.	Назначение
термоэлектрических приемников излучения
К термоэлектрическим приемникам излучения относят тепловые
приемники, у которых энергия фотонов, преобразованная в теп-
ловую, регистрируется термоэлементом, чаще всего термопарой
или батареей термопар (рис. XIV. 1). ^Малая скорость тепловых
процессов обеспечивает интегрирование квантов энергии, доставля-
емых фотонами приемной площадке. Степень их поглощения опре-
деляется свойствами площадки, в первую очередь ее коэффициен-
том поглощения, который в широком интервале длин волн несу-
щественно зависит от частоты излу-
чения. Термоэлектрические приемни-
ки являются неселективными, и это
основное их преимущество перед
иными типами приемников.
Термоэлектрические приемники
широко применяются в инфракрасной
спектроскопии, при определении
энергии и мощности лазерных излу-
Рис. XIV. 1. Модель термоэлектричес-
кого приемника излучения:
1 — приемная площадка; 2, 3 — ветви тер-
мопары; 4 — термостат.
чателей, в пирометрии, при определении рентгеновского и гамма-
излучений, в приборах для измерения излучений Солнца и Земли,
в космической и СВЧ технике, в метрологии.
2.	Параметры
термоэлектрических приемников излучения
В общем случае приемник рассматривается как-устройство,"имеющее
вход и выход. Ряд свойств приемника характеризуется соотноше-
ниями между входными и выходными его величинами [48, 77, 86,
102, 112, 158].
Интегральная чувствительность Sy (В/Вт) равна отношению
электрического напряжения на выходе U к мощности излучения
W на входе:
Sy = V-.	(XIV.1)
20*
611
Иногда чувствительность относят к единице площади приемной
площадки или в качестве единицы чувствительности выбирают от-
ношение электрического сигнала на выходе к плотности потока
излучения, падающего на приемную площадку. Отсутствие в не-
которых описаниях приемйиков значений площади приемной пло-
щадки затрудняет переход к общепринятой единице чувствитель-
ности в этих случаях значения чувствительности приведены
в единицах В/(Вт«м2) или (В«м2)/Вт. Для приемников лазерного
излучения чувствительность приводят также в единицах В/Дж.
Для модулированного излучения интегральная чувствитель-
ность определяется из выражения
su
S" (со) =-----,	(XIV.2)
и (14- со2т2)1/2 ’	’
где т — постоянная времени, со — частота модуляции.
Спектральная чувствительность характеризует зави-
симость чувствительности от длины волны излучения, падающего
на приемную площадку.
Зонная чувствительность Su(xiy) характеризует изменение
чувствительности при облучении различных участков приемной
площадки. Обычно определяется при облучении узким пучком,
площадь которого значительно меньше площади приемной пло-
щадки, и описывается либо Максимальным колебанием чувстви-
тельности (в процентах), либо графиками, на которых отложены
геометрические места точек одинаковой чувствительности.
Порог чувствительности Р0(Вт) — эквивалентная мощность
шумов, равная потоку излучения, который создает в приемнике
сигнал, равный среднеквадратичному значению шума.
Обнаружительная способность D* — величина, обратная эк-
вивалентной мощности шумов, нормированная по площади прием-
ника s и полосе пропускания А/, в которой измеряются шумы:
d*=_E2£L.	(xiv.3)
Г о
Для термоэлектрических приемников основными шумами явля-
ются: температурный, средний квадрат тепловой мощности (^0)
которого
w2 = 4£0T2x*Af;	(XIV.4)
тепловой, вызывающий флуктуации напряжения
где Rj — действительная часть комплексного импеданса приемни-
ка, k0— постоянная Больцмана, Т — абсолютная температура,
х* — общая теплопроводность приемника.
В общем случае температурный шум обусловлен флуктуациями
мощности, получаемой приемником от фона, флуктуациями мощ-
ности, излучаемой приемной площадкой, и флуктуациями мощности
теплообмена между термоэлементом и термостатом. Тепловой шум,
612
или шум Джонсона, обусловлен тепловым движением носителей
тока в проводнике. Их сумма дает
(XIV.5)
Наличие неустранимых шумов устанавливает предел возможности
обнаружения слабых потоков энергии, регистрируемых приемни-
ком. Конструкция чувствительных приемников должна оптимизи-
роваться таким образом, чтобы приблизиться к максимальной обна-
ружительной способности, определяемой минимальными шумами
приемника. При измерениях в режиме компенсации первой член
выражения (XIV. 5), как правило, существенно меньше второго и
Рис. XIV.2. Спектраль-
ные зависимости коэффи-
циента отражения различ-
ных покрытий:
1 _ чернение камфорой; 2 —
чернение золотом при давле-
нии инертной атмосферы 1 мм
рт. ст.; 3 — лак Парсона; 4—
чернение испарением золота
при давлении инертной атмо-
сферы 2 мм рт. ст.; 5 — чер-
нение камфорой толщиной
0,23 мм.
если им пренебречь, то обнаружительная способность идеального
приемника
D* = 2,8 • 101’ T-s/a	(XIV.6)
для случая, кдгда угол фоновых излучений равен 2л ср и темпера-
тура фона (окружающей среды) равна температуре фоновых излу-
чений. Для случая, когда телесный угол фоновых засветок ф =
= 4л sin2(<p/2),
1
D* == 2 . 101е--------- 1 -4________-___
(sin<p/2)T^L ^(7\-Г0)
(XIV.7)
где ф — угол между осью конуса, перпендикулярной приемной
площадке, и образующей конуса, — температура приемной пло-
щадки, То—температура термостата. Для идеального теплового
приемника при 300 К D*==l,8 • 101°см«Гц1/2 • Вт”1. Этим пределом
ограничиваются возможности оптимизации и совершенствования
конструкций термоэлектрических приемников.
Коэффициент шума равен отношению шумовой эквивалентной
мощности приемника к шуму идеального приемника. Характери-
зует степень приближения приемника к идеальному.
Динамический диапазон — отношение максимальной мощности,
при которой сохраняются с заданной точностью неизменными па-
раметры приемника, к минимально обнаруживаемой мощности при-
емника.	‘
613
Рис. XIV.3. Зависимость коэффи-
циента поглощения 80 конуса с
диффузным отражением внутрен-
ней поверхности от места падения
узкого луча; здесь, в отличие от
принятых обозначений, 8 — диф-
фузный коэффициент отражения
внутренней стенки (диафрагма с
диффузным коэффициентом отра-
жения, равным единице); размеры
в единицах радиуса основания ко-
нуса:
— радиус входного отверстия; г —•
радиус луча; р угол у.вершины ко-
нуса [33].
614
615
616
(XIV.8)
(XIV.9)
Постоянная времени т — параметр, характеризующий тепло-
вую реакцию приемника на изменение мощности потока излучения;
зависит от теплоусвоения приемника, перегрева приемной площад-
ки, теплоемкости приемной площадки, конфигурации и свойств
черни и т. д. Если зависимость чувствительности приемника от
частоты модуляции можно аппроксимировать формулой (XIV. 2),
то постоянная времени
2л/1/2 -
©1/-
где /i/п = -тг2— частота модуляции, при которой
' л
$U I ==	I
lfl/2	1/«0
Для простейших моделей приемников постоянная времени опре-
деляется как отношение теплоемкости термоэлемента к его тепло-
проводности:
т = С/х0.	’ (XIV. 10)
Необходимо иметь в виду, что в (XIV. 10) С и х0 являются слож-
ными функциями частоты.
Сопротивление приемника г задается для определения условий
согласования приемника с измерительной аппаратурой.
Площадь приемной площадки s и угол фоновой засветки зада-
ются для согласования приемника с оптическими устройствами.
Спектральные характеристики. Ими описываются зависимости
чувствительности 5^(Х) и обнаружительной способности приемни-
ка D*(X) или порога чувствительности от длины волны падающего
617
Рис. XIV.4. Зависимость коэффи-
циента поглощения 80 диффузного
конуса от диаметра пучка света:
« — диффузный коэффициент отражения
внутренней стенки (диафрагма с диф-
фузным отражением, равным единице);
размеры в единицах радиуса основания
конуса; пучок аксиален оси цилиндра
[33].
618
0,801-----1	।--------u—I------
.0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Г
°’70b 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 Г
619
620
излучения. Термоэлектрические приемники характеризуются сла-
бой зависимостью параметров от длины волны измеряемого излу-
чения по сравнению с иными приемниками излучения (фоторезис-
торами, фотоэлементами, фотоумножителями и др.). Наличие не-
которой зависимости 5^(Х), П*(Х) обусловлено различными при-
чинами: зависимостями коэффициента поглощения приемной пло-
щадки 80 и коэффициента пропускания окон от длины волны и др.
Формулы (XIV. 1) — (XIV. 7) получены для абсолютно черных
тел, однако в реальных конструкциях коэффициент поглощения
отличен от единицы, что несколько снижает чувствительность и об-
наружительную способность. Для улучшения спектральной чувст-
вительности принимают меры, по увеличению коэффициента по-
глощения — используют различные чернящие покрытия и приме-
няют коллекторы энергии сложной конфигурации.
В качестве поглощающих поверхностей наиболее широко при-
меняют окисные пленки нихрома, никеля и алюминия, чернение
камфорной сажей, покрытия чернящими красками, лаками на ос-
нове сажи (лак Парсона) и покрытия металлической чернью. По-
следние изготовляется испарением золота, платины, сурьмы или
висмута в инертной атмосфере (аргон или азот) при давлении 1 —
10 мм рт. ст. Свойства некоторых покрытий приведены на рис.XIV.2.
Механизм образования металлической черни исследован в ра-
ботах [139, 169]. Конфигурация и размеры частиц изучены в ра-
боте [162]. Сведения о свойствах черни приведены в работах [117,
160, 168—170, 175—177]. В работе [83] сообщается о свойствах
черни, полученных в среде аргона: коэффициент отражения в ин-
тервале 1—4О..мкм не более 10%, слои стабильны До 120° С.
Для повышения степени черноты и улучшения стойкости при-
емных поверхностей к воздействию мощных потоков лазерного из-
лучения применяют полостные коллекторы энергии: конические
(рис. XIV. 3, XIV. 4) и сферические (рис. XIV. 5), с диффузным
621
Рис. XIV.5. Зависимость коэффи-
циента поглощения 80 сферы с
диффузным поглощением 8 от от-
ношения s0 поверхности входного
отверстия к полной поверхности
сферы. На графиках ось абсцисс
увеличена путем введения s0 s=
s= s + п (п соответствует десятым
долям s0, s — сотым долям, отло-
женным по оси абсцисс) [33].
622
623
отражением стенок, конические (рис. XIV. 6) и сферические с зер-
кальным отражением стенок, клиновидные и их комбинации [7,
30, 33, 100, 115, 131, 164, 166]. Ступеньки на рис. XIV. 6 обуслов-
лены дисперсностью числа от-
ражений. При увеличении ди-
аметра луча ступеньки сглажи-
ваются (на рис. XIV. 6 пунк-
тирная линия). У конуса с зер-
кальным отражением коэффи-
циент поглощения не зависит
от места падения первичного
пучка при большом числе отра-
жений.
Рис. XIV.6. Зависимость коэф-
фициента поглощения е0 зер-
кального конуса от угла р0 при
вершине; 8 —- коэффициент по-
глощения внутренней поверхно-
сти конуса (облучение тонким
лучом) [33].
Коэффициент поглощения приемной площадки, оптимальная
частота модуляции, рабочая температура 'приемника — пара-
метры, которые часто вводят при описании приемников излучения.
3.	Классификация приемников излучения
Термоэлектрические приемники излучения классифицируют:
по используемому термоэлементу (тер^оп^ра, анизотропный
термоэлемент, вихревой термоэлемент, короткозамкнутый термо-
элемент, слоистый термоэлемент);
по материалу термоэлементов (металл, полупроводник, полу-
металл);
по конструкции термоэлементов (проволочные, ленточные,
штыревые, пленочные, бруски, спирали);
по количеству термоэлементов (одиночные, дифференциальные,-
батарейные);
по количеству коллекторов энергии ( с одним коллектором,
с двумя компенсированными коллекторами, многоколлекторные);
по конструкции коллектора (плоский, конус, сфера, со сфери-
ческими или полусферическими зеркальными отражателями, клин,
прямоугольные, щелевые, комбинированные);
по материалу коллектора энергии (твердые, жидкостные);
по взаимодействию с окружающей средой (воздушные, воздуш-
ные герметизированные, герметизированные с инертной атмосфе-
рой, вакуумные);
по областям применения (спектроскопия, пирометрия, акти-
нометрия, Метрология излучений, лазерная калориметрия, свето-
метрия, калибровка источников ИК излучения, сравнение различ-
ных приемников, йеселективные измерения в ИК области спектра).
Обзоры по приемникам излучения приведены в работах [46,
47, 78, 86, 96, 102, 107, 112, 127/'142, 148, 150, 158, 167, 170, 191,
624
201]; по приемникам лазерного излучения — в 133, 125, 161]; све-
дения по теории тепловых процессов — в работах [28, ПО, 137];
развитие техники приемников излучения с термопарными элемен-
тами описано в работах [102, 119, 120, 144, 145, 154, 155, 165, 183].
Сведения о параметрах термоэлектрических приемников излучения
приведены в табл. XIV. 1.
§ 2.	Одноэлементные термопарные
приемники
1. Условия оптимизации
простейшей термопарной модели
Для модели, в которой распределением температуры в приемной
площадке пренебрегается и не учитывается теплоемкость ветвей
термоэлемента (см. рис. XIV. 1), при небольших мощностях па-
дающего излучения чувствительность определяется выражением
[102, 1121
„	8иаг
Sy =--------------------2----------------Г7-, (XIV.11)
и [х*? (/? + г + а2Т/х*) + <в?С5 (/? + г)?]1/а
где 8И —коэффициент излучения поверхности приемной площадки,
а — коэффициент термоЭДС термопары, R — сопротивление на-
грузки термопары, х* — полный теплообмен приемной площадки
с окружающей средой, отнесенный к одному градусу температуры,
г — сопротивление термопары, со — круговая частота модуляции
падающего потока, С — теплоемкость приемной площадки и спая
термопары.
Постоянная времени приемника
Т =	«1 •	(XIV.12)
х* (/? 4- г 4- а2Т/х*)	4	7
В (XIV. 12) учитывается влияние эффекта Пельтье при протека-
нии тока в цепи термопары. Если приемник используется, в ком-
пенсационной схеме, то R -► оо и т = С/х*.
Уменьшение теплоемкости приводит к росту чувствительности
приемника и уменьшению его постоянной времени, поэтому при-
емные площадки изготовляют по возможности тонкими; их толщина
ограничивается механической прочностью и теплопроводностью,
которая должна быть достаточно большой, чтобы не вызвать суще-
ственных перепадов температуры в площадке. При малых толщи-
нах приемных площадок становится существенным влияние тепло-
емкости и теплопроводности ветвей термопары. Учет теплопровод-
ности ветвей в предположении изотермичности приемной площадки
и черни приводит к выражению для постоянной времени [10, 11]
х .	$ (PiPihj ~f~ ^zPz^z)	(XIV 13)
лТ’Ч / г I	I XjSj . x2s2 ’
4^3об	+ е0) s + -р + -р
12
где $— площадь приемной площадки, с± и с2— удельные тепло-
емкости материалов площадки и черни, р± и р2 — их плотности*
625
Параметры термоэлектрических приемников излучения
Тип приемника	Разработчик	Температура, к	•	Частота мо- дуляции, Гц	°макс <Х< »• см-Гц’Ах ХВт—4	Постоянная времени, мкс *
Одноэлемент- ный вакуум-	«Perkin- Elmer»	295	13	3-Ю8	(0,2—3,0) 104
ный					
То же	Хорниг	295	10	2,5-Ю8	4.104
» »	Росс— Дей кус	295	5	15-108	5-Ю4
Дифференци-	Шварц	295	5	2-10®	(5-20) 103
альный воз- душный					
Дифференци-	Шварц	295	5	3-10»	30.103
альный ваку- умный					
Одноэлемент- ный воздуш- ный	Эйземан, Бэйтс, Мерриэн	295	1	—	0,17.10е
тп-о,зхз	СССР	300	—	2,4«109	4-104
ТП-0,2х2	СССР	300	—	—	4.104
Одноэлемент- ный вакуум-	Гаррис Керри и	—	—	—	104
ный	Джордж		10	—	—
Для МКС-11,	Кларк СССР	—	—	—	—
ИКС-12	лэти	293	—			0,6-103
Воздушный	Верлих	293	—	—	6,8.103
дифференци- альный					
Вакуумный	Верлих	293	—	—	108
Дифференци-	Эпплай	293	—			9.103
альный					
	Хорниг	—	—	—	36.103
	»	—	—	* —	36.103
	»	—	—	—	4Ы03
Полостной воз-	СССР	293	—	—	6-104
душный					
FT\	Хильгер	——	—	—	5-103
FT2	Шварц	—	—	—	104
FT3	LTD		—	—	ЗЛО4
626
I
1 1 1	1111	1	1	1 1	1 о	1	1	|		1	1	1	/Л CH	/Л ел	/Л СЛ	Оптимальная частота мо- дуляции, Гц
од ю •XXX — о о "to to	со Ф- ►— о о о о сл	•—	2X2	0,6X4 2X2	2x0,3 0,2X4	о	0,2X2	0,3X3		рэ	г СЛ	01—I	1	0,5—4	2X0,2	Площадь приемной площадки,^ мм2
СИ СИ Ф- ООО	СП 1 ГО О СИ	5,8	to о	to о о	13,5	50-80	о	со ел		г	10—100	30-300	20-50 1	6—10	О	Сопротивле- ние термо- пары, Ом
1 1 1	fill	1	1	1 1	1 1	|	1	, 1	МКМ	со Т\У 1 -° СИ	1	1	|	1	1	Степень черноты площадки
to О фь СЛ	ро ор "to'bo СЛСЛ	о co	4,35	о to to СЛ о	12,5 •	0,4-0,5	00	ОО		СЛ О 1 I to	20—90	co		3,1—4,4 при 5 Гц	to	Чувствитель- ность, В/Вт
1 1 1	1 ot-01’6 5 от-01 *9*1 от—01’S‘l	о 1 «>	ot—01*9*0	е-Ol -8‘£	ог-ОРЗ	ю о 1	1	1		1	тт-01 X X (9‘9-S‘l)	1	|	ot-OJ • £	co 1—Л о । о	Минимальный обнаружива- емый сигнал, Вт, при полосе Д/== 1 Гц
[147]	г—11—1Г-Н1—I 00 и- «— to to to, 1	!«•—<u——1	[142, 157]	[142, . 157]	[157]	[102, 127]	86] [Ю2]	[46, 81,	[46, 81, 86]		»—ч—-1 co •—1 p w	[126]	[126]	[180]	[102, 148]	[££1 ‘6111	Литератур- ный источ- ник
Таблица XIV.l
Тип приемника	Разработчик	а? GU СО Q. а> с 2	Частота мо- дуляции, Гц	£>макс<Х<«’ СМ1Г^,/‘ х X Вт—1	Постоян- ная време- ни, мкс
FT4	Шварц LTD							4-Ю4
то	» »			—		104
FT12	» »								10’
FT13	» »			—	—	103
FT15	» »			—			10’
FTV7	» »	—	—	—	105
FT\$	» »							104
FT20	» »	—	—			104
FT22	» »	—	—				Ю4
FT23	» »	—	—	—	10’
Дифференци-					
альные ваку-					
умные типа					
РТН*	СССР				
РТН-2У	»	—	—	8.10-10—5,4-10-8**	(0,2-1)10°
РТН-10	»	—	—	5. IO'10—1,35-Ю-з**	0,2-10»
РТН-11	»	—	—	3,5-10-1°—2,7-10-3**	0,15-10»
РТН-12	. »	—	—	2,5-10-1»—5,4-Ю-з**	0,15-10»
РТН-20	»	—			8.10-1»—5,4-Ю-з**	0,2-10’
РТН-30	»	—	—	5.10-1»—2,7-Ю-з**	0,15-10»
* Спектральный диапазон приемника с сапфировым окном 0,18—5,5 мкм,
ется индексом Г (РТН-10Г). Максимальная допустимая энергетическая осве
термопар: РТН-10-1, РТН-2У и РТН-20—4, РТН-11 и РТН-30-6, РТН-12—25.
** Диапазон измеряемых мощностей,- Вт.
Приемники FT]— FT4 — воздушные, остальные типа FT —вакуумные.
hf и h2 — толщины площадки и черни, сгБ — постоянная Стефана—
Больцмана, 80' и г” — коэффициенты поглощения площадки и чер-
ни, х^ и х2 — коэффициенты теплопроводности материалов ветвей
термопары, и$2 — площади их сечений, Zj и Z2 — длины ветвей
термопар. При учете теплоемкости термопары постоянная времени
X = s (ciPihj С2Р2^2) ~4~ х/г (s-j-liP 0'	$2l2p с") (XIV 14)
4T3cr s (е 14- е") (1 4-
4 Б* (е° +	+ 4ГЗаБ(80' + е^
где р\и р" — плотности материалов термопары, с' и с" — их удель-
ные теплоемкости.'
Обнаружительная способность на низких частотах для рассмат-
риваемой модели приемника
D* =------—---------»YS--------------------(XIV.15)
2Г Vk0 [х„ + х0 + г (х„ + х0)*/а*7Т'з
628
Продолжение табл. XIVЛ
Оптимальная 1 частота мо- дуляции, Гц	Площадь приемной площадки, мм2	Сопротивле- ние термо- пары, Ом	Степень черноты площадки	Чувствитель- ность, В/Вт	Минимальный обнаружива- емый сигнал, Вт, при полосе 1 Д/ = 1 Гц	Литератур- ный источ- ник
	-	02	30			1,1			[147]
.—	2x0,2	200	—	45	—	»
—	2X0,2	90	—	70	—	»
—	2(2х0,2)	180	—	70	—	»
—.	9x0,5	200	—	28	—	»
—	02	150	—	18	—	»
—	2x0,2	40	—	24	—	»
		4x0,2	40	—	18	—.	»
—	2,6 X 0,2	40	—	20			»
—	01	100	—	20 .	—	
						[98,
						143]
—	1,5X12	100	—	0,5—1,0	—	
—	1,5X3	20	—	0,5—2,0	—	
—	3x3	300	—	2-8	—	
—	1,5X12	1500	 ।.	6-20	—	
—	45X12	100	—.	0,5-2,0			
—	3x3	300	—	2—8	—	
маркируется индексом С (РТН-10С); с германиевым: 1,8—15 мкм, маркиру-
щенность 300 Вт/м2; нестабильность чувствительности за год — 5%. Количество
Здесь хи и х0 — составляющие теплопереноса от приемной пло-
щадки, обусловленные излучением и переносом тепла ветвями тер-
мопары. Оптимизация конструкции для достижения максимальной
обнаружительной способности при выбранных размерах приемной
площадки и материалах термопары сводится к определению ее гео-
метрических размеров. Оптимизация (XIV. 15) приводит к выра-
жению
еу2
D* =--------------.-----(XIV.16)
4 (Vb)172^2 [1 +	(1 + Z07y/2j
где Zo — термоэлектрическая добротность термоэлемента. Опти-
мизация достигается, если удовлетворить соотношениям
гу 2
хило
х0 =	1
“и (1 + Z0T)1/2 •
(XIV. 17)
629
На высоких частотах модуляции, когда становится существен-
ной теплоемкость приемной площадки, оптимизированная обнару-
жительная способность
р»____________go
2T/M^(l+2/Z0T)^ ’
условия оптимизации
а?
х0 = wc s, г = --------------------
УД	20<ОСуд5
(XIV. 18)
(XIV. 19)
(суд — теплоемкость приемной площадки, отнесенная к единице
площади).
2. Конструкции одноэлементных термопарных
приемников излучения
Приемники с висмутовыми проволочными термоэлементами. Термо-
электрические приемники Хорнига и О'Кифа [102]. Для отри-
цательной ветви использован сплав 97% Bi + 3% Sb, для по-
ложительной — 95% Bi + 5% Sn, термоЭДС пары — до 120 мкВ/К.
Длина термоэлементов 0,3 мм, диаметры (1,6	2,6) • 10"3мм, при-
емная площадка из золота толщиной 0,1 мкм. Теплоемкость вет-
вей (0,1 4— 6,3) • 10”7Дж/К, общая теплоем-
кость (4,8 4- 36,3) • 10“7Дж/К.
- В приемнике Кера и Джорджа [102, 128J
। из Bi и Bi—Sb (длина ветвей 0,2 мм, прием-
I ная площадка из золотой фольги площадью
2 X 0,3 мм2 и толщиной 0,2 мкм) на площадку
zj нанесена золотая чернь, теплоемкость которой
равна теплоемкости фольги. Минимально об-
наруживаемая мощность 2 • 10"х° Вт для по-
^4 лосы 1 Гц при частоте модуляции 10 Гц.
В приемнике Верлиха [142, 157] применена
пара из висмута и легированной сурьмы. Оба
спая присоединены к приемным площадкам.
-5
Рис. XIV.7. Схема приемника излучения с по-
лупроводниковыми ветвями:
1,4— ветви и- и р-типа; 2 — окно из КВг; 3 прием-
ная площадка; 5корпус [118].
Использовались как вакуумные, так и воздушные варианты. Сведе-
ния о приемниках приведены в табл. XIV. 1.
Приемники с полупроводниковыми элементами. Максимальная
чувствительность достигнута [118] в конструкциях вакуумных при-
емников с ветвями из полупроводниковых материалов Bij 8 Sb0 2
Те2>7Se0 3+_ 0,08 ат. % CuBr n-типа и ВЦ 4Sb0>6Te3 p-типа. каждая
ветвь имеет/вид конуса, установленного на теплоотводящем блоке
(рис. XIV. 7). Приемная площадка — золотая пластина 2 X 0,2 мм
толщиной 5 мкм — приварена к конусам током разряда конден-
630
сатора (2 мкФ, 20 В). После сварки приемная площадка чернится
напылением золота в атмосфере азота. Сведения о приемниках при-
ведены в табл. XIV. 2. Несмотря на высокую чувствительность,
конструкция приемников не удовлетворяет оптимальным услови-
ям — перенос тепла по ветвям термопары больше переноса тепла
излучением. Его снижение простым уменьшением площади контак-
та приемной площадки с острием для площади меньше 10’6см2 яв-
ляется неэффективным из-за возрастания контактных шумов.
Таблица XIV.2
Параметры вакуумных приемников с полупроводниковой
термопарой [//5]
| Термоэлемент	Т ермоэлектрич еская добротность термо- пары,	Размер приемной площадки, мм	Сопротивление, Ом	Чувствительность, В/Вт	Постоянная вре- мени, мс	Частота модуля- ции, Гц	Полоса пропуска- ния, Гц	Обнаружительная способность, см «Гц1/2 «Вт—1	Пороговая чувстви- тельность, Вт	
									рассчитан- ная	наблюда- емая
а	0,3-10~3	2X0,2	5	12	12	10	1	1,3-Ю9	2,9-IO”	5-IO-»
b	1,о. 10—3	2X0,2	40	50	22	10	1	1,8.10е	2,6-10—11	3,5.10-и
с	1,8-10—3	2X0,2	10	25	20	10	1	2,5-109	1,9.10—11	2,5.10-и
d	З.Ь 10~3	2X0,2	. 8	30	20	10	1	3,2-109	1,5.10-и	2-ЮТИ
Приемники с полупроводниковыми ветвями на основе Bi2Te3 [31]
для ИК спектрометров. Конструкция прибора приведена на рис.
XIV. 8. В* нем применены клиновидные п- и р-ветви и приемная]
площадка*из золота (0,2 X 2 мм). Приварка площадки производи-
лась разрядом конденсатора. Применена золотая чернь (толщина
Рис. XIV.8. Конструкция приемника инфракрасного излучения
с термопарой на основе Bi2Te3:
/ — окно из КВг; 2 — металлический корпус; 3 — стеклянный корпус;
4 — геттеры; 5 — электрические выводы; 6 — место отпайки; 7 — корпус
термоэлемента; 8, 9р- и п-ветви; 10 — приемная площадка [31].
около 2 мкм)? Исследована зависимость чувствительности от тол-
щины приемной площадки и расстояния между вершинами клинь-
ев. Установлено, что оптимальная толщина золотой фольги 0,4 мкм,
Расстояние между клиньями 1 мм. Параметры приемников: сопро-
631
тивление 10—20 Ом (при больших сопротивлениях чувствитель-
ность падает, возрастает шум), чувствительность не менее 8 В/Вт,
постоянная времени 10—30 мс, пороговая чувствительность 7,5 X
X 10-10Вт.
В термоприемнике фирмы «.Perkin—Elmer» [112, 142] плоская
приемная площадка изготовлена из золота и припаяна к полупро-
водниковым ветвям термопары. Для увеличения теплового сопро-
тивления ветвям придают вид усеченных цилиндров (рис. XIV. 9).
Приемная площадка с термопарой помещена в откачанный баллон
с окном из КВг, обладающим высокой про-
зрачностью — до 25 мкм. Размеры площад-
ки 2 X 0,2 мм, сопротивление приемника
10 Ом, чувствительность при модуляции
13 Гц составляет 2 В/Вт, обнаружительная
способность 3 • 108см • Гц1/2* Вт”х, посто-
янная времени 20—30 мс.
Рис. XIV.9. Схема термоприемника фирмы «Perkin — Elmer»:
1 —. приемная площадка; 2 полупроводниковые ветви термопар; 3 — электри-
ческие выводы [142].
Рис. XIV. 10. Неселективный приемник с конической приемной пло-
щадкой [135].
Кремниевый термоприемник описан в работе [12]. В приемнике
длина ветвей термоэлемента 10 мм, поперечное сечение 1,0 X 0,5 мм2.
Приемная площадка изготовлена из меди (диаметр 8 мм, толщина
10 мкм). Чувствительность приемника 0,039 В/Вт, постоянная вре-
мени 2,8 с, сопротивление 2,6 Ом.	’' _
Полостные приемники. Для увеличения степени черноты, осо-
бенно в длинноволновой части спектра, разработан приемник с ко-
нической приемной площадкой [135, 136] (угол при вершине кону-
са 15°, длина 7,6 мм). Внутри конус чернен коллоидным графитом
или специальным красителем. Термопара изготовлена из висмута
и сплава висмута с оловом (5%). Постоянная времени 0,17 с. При
частоте модуляции f = 1 Гц чувствительность равна 5 • 10~2В/Вт.
Коэффициент поглощения в интервале 1 — 45 мкм — от 0,995 до
1,000. Конструкция приемника изображена на рис. XIV. 10.
Полостные приемники со штыревыми термоэлементами опи-
саны в работе [87]. Приемные полости изготовлены из золотой фоль-
ги толщиной 0,2 мкм, термопара — из полупроводников, Z =
= (2 -г- 3) • 10”?K“x. Применены полости двух типов— коничес-
кие и клиновидные (рис. XIV. 11). Угол при вершине конуса 159,
632
при вершине клина 10°. Площадь основания конуса 3 • 10~2см2,
клина 2,5 • 10~2см2, Поглощающее покрытие — золотая чернь.
Коэффициент поглощения полости не меньше 0,994. Чувствитель-
ность Sy на воздухе 0,2 В/Вт, постоянная времени т = 0,06 с; в
вакууме Sy= 2 4-3 В/Вт, т =± 7 с. Сопротивление приемников
5—10 Ом. По параметрам приемники превосходят аналогичные зару-
бежные [135, 136, 192].
Приемники со сферическими медными коллекторами описаны
в работе [30]. Масса коллекторов 0,6 и 8,7 г, толщина стенок 0,05
и 0,5 мм соответственно, использованы медь-константановые тер-
мопары.
Рис. XIV.11. Неселективные полостные приемники с конической (/)
и клиновидной (2) полостями [87].
Рис. XIV. 12. Приемник излучения с зеркальной полусферой (/) и
штыревым термоэлементом (2) [88].
В работе [192] описаны модели приемников с коническими
приемными площадками из золота, в работе [159] — с приемными
полостями из графита.
Приемник с отражающей полусферой применяется для увели-
чения коэффициента поглощения фокусировкой на приемную пло-
щадку отраженного от нее излучения. В работе [88] описан такой
приемник с плоской приемной площадкой и штыревыми термоэле-
ментами (рис. XIV. 12). Материал термоэлементов — полупро-
водник, Z = (2 4- 3) • 10~3К"х, приемная площадка — золотая
фольга, покрытая золотой чернью (ее площадь 18 мм2), сфера по-
крыта алюминием с коэффициентом отражения 0,98 в спектраль-
ном диапазоне 4—20 мкм. Степень черноты устройства не меньше
97%. Чувствительность 0,3 В/Вт, сопротивление термопары 11 Ом.
Ранние исследования по сферическим и цилиндрическим отра-
жающим полостям описаны в работах [138, 156, 198].
Пленочные приемники. Основные элементы приемника — пло-
щадка и контакты — представляют собой тонкие пленки металлов
(для термопар иногда использованы полупроводники), нанесенные
испарением в вакууме на подложку из диэлектрика (нитроцеллю-
лозы, формвара, майлара, окиси алюминия). Подложка укрепля-
ется на каркасе из стекла, слюды или сапфира, иногда металла.
6 каркасе вырезано отверстие под приемной площадкой и спаями
633
(рис. XIV. 13). Диэлектрическая подложка частично шунтирует
ветви термопар, поэтому в первых вариантах конструкций пара-
метры приемников не были высокими. В работе [29] такие приемни-
ки получены испарением на слюдяную подложку висмута и теллура.
Из-за большой толщины слюды не получены существенные измене-
ния чувствительности на воздухе и в вакууме. У термопар висмут—
теллур сопротивление приемников 2—3 кОм, чувствительность
на воздухе 3,5—5,0 В/Вт, в вакууме 15 В/Вт; у термопар сурьма—
висмут сопротивление 30—50 Ом, чувствительность на воздухе
1,2 В/Вт, в вакууме 2,5 В/Вт; у термопар из сплава Гутгинса (97%
висмута + 3% Sb и 95% висмута + 5% олова) сопротивление
70—100 Ом, чувствительность на воздухе 1,6—2,2 В/Вт, в вакууме
5 В/Вт, инерционность, по-видимому, не более 1—2 с.
Рис. XIV. 13. Конструкция пленоч-
ного термоэлемента:
1 — корпус;’ 2 — подложка из диэлект-
рика; 3, 5 — контакты; 4, 7 — пленки
ветвей термопары; 5 — приемная пло-
щадка; 6 — чернь.
Применение тонких диэлектрических подложек (1—2 мкм) по-
зволяет улучшить свойства приемников. В работе [9] предложена
конструкция приемника с диэлектрической, подложкой из А12О3,
полученной электрохимическим окислением. Сопротивление термо-
элемента 15 Ом, чувствительность в смодулированном потоке
1,85 В/Вт, постоянная времени 30—50 мс. Варианты пленочных
термоэлементов описаны в работе [123], получены чувствительность
0,5—2,5 В/Вт, постоянная времени 40—80 мс. Сведения о технологии
пленочных термоэлементов приведены в работах [168, 180], о пле-
ночных термоэлементах из р- и n-Ge — в работе [163].
3. Конструкции компенсированных приемников
Приемники с металлическими термопарами содержат два идентич-
ных включенных навстречу друг другу приемника, холодные
части которых находятся в хорошем тепловом контакте. Один из
приемников рабочий, второй засветке не подвергается. Такое вклю-
чение уменьшает влияние локальных флуктуаций температуры
и позволяет повысить чувствительность приемников.
Компенсированный приемник с металлическими проволочными
термопарами изображен на рис. XIV. 14 [142]. Черненые приемные
площадки подвешены на кварцевых нитях, термопары вмонтиро-
ваны в центры площадок. Сведения о приемниках такого типа при-
ведены в табл. XIV. 1. Компенсированный приемник [124] с коллек-
тором прямоугольной формы 10 X 3 мм из меди толщиной 60 мкм
изображен на рис. XIV. 15. Чувствительность 0,06 В/Вт, постоян-
ная времени 6—8 с. '
Вакуумные приемники, разработанные в «ЛЭТИ. Расчет и ус-
ловия оптимизации проведены Б. П. Козыревым и сотрудниками
(см., например, работы [48—50, 52, 55]). Как правило, применялись
термопары хромель—копель с сопротивлением 3,5—48 Ом. Чувст-
вительность приемников 0,07—16,5 В/Вт, постоянная времени
634
0,6—21 с. Среди них приемники для ИКС-11, ИКС-12 с приемными
площадками 0,6 X 4 мм, чувствительностью 2,5 В/Вт и постоянной
времени т ~ 0,6 с. Сопротивление одной термопары 6 Ом [48]. Схе-
ма приемника приведена на рис.
XIV. 16. Разработаны также прием-
ники с отражающими сферическими
зеркалами (сопротивление термопар
И—38 Ом, чувствительность 1,8—
2,4 В/Вт).
Приемники с полупроводниковыми
термопарами. Примером такого уст-
ройства служит термопара Шварца
[126, 184] (рис/XIV. 17). Две термо-
пары из полупроводникового мате-
Рис. XIV. 14. Приемник с металлическими термопарами:
1 — керамический корпус; 2 — приемные площадки; 3 — термо-
пары; 4 — кварцевые подвесы [142].
Рис. XIV. 15. Дифференциальный приемник с коллекто-
ром прямоугольной формы:
1 — корпус; 2 — коллекторы; 3 —выводы термопар [124].
риала вмонтированы в вакуумный баллон, давление в котором
10”?— 10”8мм рт. ст. В нижней части баллона размещены геттеры,
которые могут последовательно использоваться для возобновления
вакуума. На острия ветвей термопар конденсаторной сваркой при-
Рис. XIV. 16. Приемник излучения для ИКС-11, ИКС-12:
i — приемные площадки; 2 — термопары; 3 основание; 4 — электрические вы-
воды; 5 — корпус [48].
Рис. XIV. 17. Дифференциальная термопара Шварца:
2 — шпильки из благородного металла; 3, 4 — ветви термопар из полупровод-
никового материала; 5, 7 — приемные площадки; 6 — флюоритовое окно; 8 —
Диск из слюды; 9 — вакуумный баллон [112].
635
варены золотые приемные площадки толщиной 0,3 мкм. Рабочие
поверхности площадок чернятся. Шумы, возникающие при колеба-
ниях температур приемника, компенсируются встречно включен-
ной термопарой.
Состав материала термопар: р-ветвь — Си (27%), Ag (32%),
Те (33%), Se (7%), S (1%), м-ветвь — смесь Ag2S и Ag2Se. Коэффи-
циент термоЭДС положительной ветви 240 мкВ/К, отрицательной —
45 мкВ/K для смеси Ag2S (85%) и Ag2Se (15%).
Разработаны вакуумные и воздушные варианты приемников.
У вакуумных приемников приемные площадки имеют площадь
1—5 мм2, сопротивление термопар 10—100 Ом, чувствительность
при модуляции 5 Гц составляет 20—90 В/Вт, D* при 5 Гц — 3 X
X 109см*Гц1^2’ Вт”х, постоянная времени 30 мс. У воздушных
Soth. ед.	Soth. ед.
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
О ч ° а	О' 4	8	12	16 Ь™
Рис. XIV. 18. Относительная спектральная чувствительность прием-
ников излучения:
1,2 — фирмы «Хильгер»; 3,4 — ЛЭТИ; 5,6,7 — фирмы «Карл Цейс с» (ГДР) (я);
1, 4, 5 — БМК-3; 2, 3, 6 = ИКС-16; /, 2, <3 — сурьмянистая чернь; 4, 5, 6 =-
золотая чернь (б) [82].
приемников применены приемные площадки площадью 1—10 мм2,
сопротивление термопар 30—300 Ом, чувствительность при моду-
ляции 5 Гц 3 В/Вт, обнаружительная способность 2 • Г08см*Гц ^2 X
X Вт"1, постоянная времени 5—20 мс. Термопара Шварца по об-
наружительной способности приближается к предельному значению
для тепловых приемников. Для повышения быстродействия прием-
ников их'приемные площадки помещены в теплопроводящую ат-
мосферу [195] (воздух, гелий).
Приемник ТП 0,3 X 5. По конструкции аналогичен приемнику
Шварца. Сведения о приемнике приведены в табл. XIV. 1. При
использовании окон из КВг чувствительность приемника равно-
мерна в интервале 0,3—38 мкм [81].
Вакуумные компенсированные приемники ТК-3 X 1,5, ТК-1 X
X 1,5, ТКС-3 X 1,5 предназначены для работы в интервале 1 —
30 мкм. Количество приемников 2, размеры приемных площадок
(в миллиметрах) указаны в обозначениях, апертурные углы 120°
и 60°, окно из КРС-5, сопротивление одного элемента 4—20 Ом,
чувствительность 1—4 В/Вт;3—10 В/Вт, пороговый поток 1 •10”10Вт.
Максимальный допустимый поток ^0,001 Вт, постоянная времени
0,7—0,25 с [80].
636
Приемник ТМ-1,5 х 3. Термопара сопротивлением 1 Ом из Bi и
Bi—Sn, 8^ = 2В/Вт, Pq — 1 • 10“7 Вт, площадь приемной площадки
1,5 X 3 мм2.
В приемнике ТМ-0,5 х 4 термопара из хромель—копеля, =
= ЗВ/Вт, Ро = 8*10~9 Вт, площадь приемной площадки
0,5X4 мм2 [76].
Дополнительные сведения о спектральных характеристиках
ряда тепловых приемников можно найти в работах [82, 124]
(рис. XIV. 18); о приемниках излучения, в том числе с полупро-
водниковыми штыревыми термоэлементами, — из работ [126, 184].
Приемники с дифференциальными термопарами применяются
для упрощения конструкции при сохранении относительно высо-,
кой температурной помехоустойчивости дифференциальных схем.
В приемнике, изображенном на рис. XIV. 19, использована диф-
золотой полусферы диаметром 1 см и массой 0,102 г, входное окно
диаметром 0,56 см. Градуировка производится методом замещения
с помощью нагревателя, расположенного на внутренней поверхно-
сти сферы. Чувствительность на воздухе около 2 • 10”3В/Вт,
постоянная времени т= 8 с [116].
Аналогично для измерения потоков радиации в качестве кол-
лектора энергии излучения использован цилиндрический блок,
разогрев которого измеряется дифференциальной термопарой. Ме-
тод дифференциальной термопары нашел дальнейшее развитие
в радиометрах Гардона [140, 141], представляющих собой констан-
тановую пластину, термостатированную на краю медным блоком.
К центру пластины присоединен медный проводник, который вместе
с блоком и пластиной образует дифференциальную термопару.
В работе [111] для такой конструкции получена чувствительность
0,26 мВ/Вт при инерционности 0,3 с и сопротивлении 0,695 Ом.
Чувствительность можно повысить, если приемную пластину раз-
делить на секции и образовавшиеся при этом термопары соединить
последовательно.
Для повышения помехоустойчивости используют дифферен-
циальную термопару, один спай которой присоединен к приемной
площадке, другой — к компенсирующему телу, теплоемкость ко-
торого и теплообмен с окружающей средой эквивалентны таковым
приемной площадки [55]. По этому принципу разработаны много-
численные варианты приборов с приемниками излучения.
637
§ 3.	Приемники с термопарными батареями
Применение в приемниках излучения последовательно включенных
термопар позволяет увеличить чувствительность, уменьшить инер-
ционность, улучшить зонную характеристику и условия согласо-
вания приемника с регистрирующей аппаратурой.
1.	Приемники с пленочными термобатареями
В большинстве случаев при изготовлении пленочных приемников
используют сплавы висмута или сурьмы.
Приемник Гарриса [142]. В нем применена воздушная термо-
батарея из 50 элементов общей площадью около 10 мм2. Термо-
элементы получены напылением на сог-
нутую подложку из нитроцеллюлозы.
Толщина пленок: 0,6 мкм для висмута
и 1,07 мкм для сурьмы. Сопротивление
батареи 50—80 Ом, чувствительность
0,4—0,5 В/Вт, минимально регистри-
руемый сигнал около 10“иВт в полосе
1 Гц/ Конструкция приемника приве-
дена на рис. XIV. 20. Пленки с под-
Рис. XIV.20. Пленочная термобатарея
Гарриса:
/—пластина из алюминия, 2 — изоляционная
пленка; 3 «- пленки, образующие термопару
[142].
ложками монтируются на оксидированные алюминиевые пластины,
собираются в стопу и прижимаются друг к другу.
Рис. XIV.21. Напыленный термоэлектрический
приемник. Размеры приемной площадки 1 X 1 мм,
количество термопар 15 [194].
638
В приемнике Росса и Дейкуса [102, 142, 180] использованы
пленки толщиной около 500 А. Подложки пленок — формвар,
имеющий малые теплопроводность и теплоемкость при большой
Рис. XIV.22. Напыленный термоэлектрический прием-
ник. Размеры приемной площадки 0,25 х 0,25 мм [194].
Рис. XIV.23. Напыленный термоэлектрический приемник.
Диаметр приемной площадки 2 мм, количество термопар
89 [194].
Рис. XIV.24. Напыленный термоэлектрический приемник. Размеры
приемной площадки 0,12 X 0,12 мм, количество термопар 5 [194].
Рис. XIV.25. Двадцатиэлементный детектор горизонтальной чувст-
вительности. Зачернены горячие спаи [194].
Рис. XIV.26. Цепочки из восьми термобатарей (каждая размером
0,4 X 6 мм): в каждой батарее 40 спаев [194].
механической прочности. Для изготовления термобатарей пленки
формвара укреплялись на стеклянном основании и через шаблон
напылением на них наносились многочисленные ветви термоэле-
639
ментов из висмута и сурьмы. Сведения о приемнике даны в табл.
XIV. 1.
Приемники из пленок Bi — Sb, разработанные в Santa Barbara
Research Center (рис. XIV. 21—XIV. 26) [119, 190, 194, 202]. Раз-
работано также устройство, содержащее ‘45 параллельно располо-
женных термобатарей (в каждой батарее 11 термопар, один конец
батареи присоединен к общему выводу). При понижении темпера-
туры все параметры приемников возрастали. Приемники прочны,
они выдерживают синусоидальную вибрацию ускорением 40 g при
250—2000 Гц, многократные удары продолжительностью 0,7 мс.
Параметры приемников приведены в табл. XIV. 3. Все измерения
Т а б л и ц a XIV.3
Параметры напыленных приемников, разработанных
в Santa Barbara Research Center [/94]
Пара метр	Тип, приемника, приведенный на рисунке				
	XIV.21	XIV.22	XIV.23	XIV.24	На твердой подложке 120-й элемент- ный столбик, рис. XIV.26
Чувствитель- ность в ваку- уме, В/Вт	50	220	160	280	0,38
Постоянная времени в ва- кууме, мкс	100	75	150	13	6-Ю3
Импеданс, кОм	6,3	10	47	5	0,1
Предельное раз- решение, Вт	2,Ь10’10	6,9. Ю"11	1,7.10-1°	3,3.10-п	3,4-10~9
Обнаружитель- ная способ- ность, см X X Гц1/2 -Вт"1	5-108	4,2-108	1,0.109	0,82-108	
Размер прием.- ной площад- ки, мм	1X1	0,25x0.25	02	0,12x0,12	1X8
Количество тер- мопар	15	—	89	5	120
проведены в вакууме. Спектральными исследованиями определен.
е0— 0,75-г- 1,00 в интервале 1—35 мкм. Приемники могут исполь-
зоваться в тех системах, где передача информации производится
на частотах не более 1 кГц, где не может быть применено охлажде-
ние и где требуется неселективность в широком интервале длин
волн. Приемники могут использоваться на космических кораблях
для определения излучения планет, для ориентации, для метеороло-
640
гических измерений. На основе приемников созданы радиометры,
установленные на космических кораблях «Маринер» в 1969 г. [129].
Термобатарея для измерения энергий пучков нейтральных
частиц описана в работе [186]. Конструкция батареи приведена
на рис. XIV. 27. На пленку из майлара толщиной 2,2 мкм напылен
слой висмута и сурьмы. Тепло от холодных спаев батареи отводится
к алюминиевому кольцу. Батареи используются ввакудме 10“6 мм
рт. ст., их чувствительность 12 В/Вт, постоянная времени т = 2с,
внутреннее сопротивление 3 кОм.
Рис. XIV.27. Конструкция пленочной термобатареи:
1 — контактная колодка; 2 — сурьмянистая ветвь; 3 — висмутовые ветви;
4 — нихромовое покрытие; 5 — пленка из майлара; 6, 7 — корпус [186].
Рис. XIV.28. Конфигурация пленочного Bi — Sb-приемнйка:
1, 2 — ветви термопар; 3 — рабочий спай; 4 — коммутационная висмуто-
вая пленка; 5 — контактные площадки [113].
на рис. XIV. 28. Пленки из Bi—Sb нанесены на слюдяную под-
ложку, толщина пленок около 2 мкм, наружный диаметр приемника
20 мм. Чувствительность термобатареи около 1 В/Вт, постоянная
времени 0,5—2,5 с.-
Технология изготовления пленочных висмутовых батарей опи-
сана в работе [171].
2.	Унифицированные проволочные термобатареи
для приемников излучения
В большинстве случаев конструкции термобатарей зависят от их
конкретного применения и изменяются от прибора к прибору. Ис-
ключения составляют разработанные ИТТФ АН УССР универсаль-
ные термобатареи, используемые в различных устройствах для
измеренья излучений и теплового потока [15], а также термобатареи,
разработанные ВНИИМ, используемые в приборах для световых
измерений.
Термобатареи ИТТФ АН УССР — медь-константановые и хро-
мель-никелевые — изготовлены осаждением меди или никеля на
половину константановой или хромелевой спирали, навитой на
растворимую ленту. Толщина покрытий 3—3,5 мкм. После гальва-
21 9-413,
641
нической обработки лента удаляется, термобатарея покрывается
лаком и монтируется в датчик. Плотность упаковки до 2000 термопар
на 1 см2 [15, 18]. Серийная слоистая батарея (датчик) размерами
17 X 17 X 1 мм имеет чувствительность около 7 • 10~2В/Вт, элект-
рическое сопротивление 300 Ом. Зональные колебания чувствитель-
ности не превышают 10% [92].
Термобатареи ВНИИМ. Для определения светового эквива-
лента лучистой мощности [38] разработаны термобатареи общей
площадью 8,4—22,5 мм2. Материалы термопар Bi — Sb, Bi — Sn,
хромель—копель. Количество спаев 10—50, сопротивление 21 —
140 Ом, чувствительность 0,1—0,7 В/Вт. Приемные площадки —
черненые серебряные пластины толщиной 3—4 мкм. Диаметр про-
волок термопар 24—26 мкм. Обозначения термостолбиков ВС-ВО-1,
ХК-1, ХК-2, ХК-3. Усовершенствованные термобатареи для све-
товых измерений описаны в работе [41].
3.	Приемники излучения с проволочными
и ленточными термобатареями
При использовании унифицированных термобатарей в большинстве
случаев упрощается технология изготовления приборов, однако
при этом не всегда достигаются предельные значения чувствитель-
ности, быстродействия, минимально обнаруживаемой мощности
из-за трудностей, возникающих при согласовании батарей с коллек-
торами излучения, термостатирующими элементами конструкции,
элементами тепловой компенсации и т. д. Поэтому в ряде случаев,
например в приемниках ЛЭТИ, термобатареи разрабатывались для
каждого типа приборов. Теория приемников излучения и условия
их оптимизации для приемников ЛЭТИ рассмотрены в работах
[52, 53, 58, 59], параметры некоторых приемников приведены в
табл. XIV. 4 [69].
Ниже рассмотрены характерные конструкции приемников из-
лучения, в которых использованы как специально изготовленные,
так и унифицированные проволочные и ленточные термобатареи.
Радиометры применяются для измерений потоков лучистой
энергии нагретых тел.
Инерционный радиометр (рис. XIV. 29). В нем используется
массивный медный цилиндр, один торец которого облучается [15].
Остальные детали изготовляются таким образом, чтобы предельно
уменьшить потери тепла от цилиндра. Измерение температуры ци-
линдра производится батареей хромель-копелевых термопар. При-
бором измеряются потоки до 300 кВт/м2. Аналогичным прибором
с малой массой приемного тела производят измерения потоков из-
лучений до 2 кВт/м2.
Дифференциальный приемник радиации (рис. XIV. 30) со-
держит термобатарею, вмонтированную в полость двух полудисков.
Один полудиск чернится, другой золотится. При облучении диска
в'батарее возникает ЭДС, пропорциональная мощности потока [15].
На рис. XIV. 31, XIV. 32 приведены схемы абсолютных ком-
пенсационных радиометров с замещением [15]. Для увеличения сте-
пени черноты использован коллектор сложной конфигурации
(рис. XIV. 33) [16] с коэффициентом поглощения не ниже 0,99.
Абсолютный двусторонний радиометр (рис. XIV. 34) [19].
При измерениях одна поверхность облучается потоком радиации,
642
другая обогревается электрическим током, наличие разности тем-
ператур между поверхностями фиксируется термоэлектрической
батареей. При равенстве энергий, подводимых к поверхностям,
определяется мощность измеряемого излучения. Замещение потока
Рис. XIV.29. Инерционный радиометр:
1 — струна; 2 — защитная «рюмка»; 3 — блок; 4 — несущее кольцо; 5
термопара; 6 — игла [15].
Рис. XIV.30. Радиометр Тенмора:
1, 3 — полуцилиндры корпуса; 2 — термобатарея [15].
Рис. XIV.31. Схема абсолютного радиометра с энерге-
тическим замещением [15]:
1 — приемная площадка; 2 — нагре'ватель; 3 — слоистый датчик;
4 — охлаждаемый корпус.
Рис. XIV.32. Схема абсолютного радиометра:
1 — приемная площадка; 2 — нагреватель; 3 — термобатарея;
4 — корпус; 5 — компенсационный нагреватель [16].
излучения осуществляется вторым нагревателем. В этом режиме
нет необходимости градуировать термобатарею — она используется
как индикатор равенства температур на пластинах. Радиометр мо-
жет работать и в других режимах. Параметры прибора: диапазон
21
643
Параметры тепловых приемников ЛЭТИ [69]
	Параметр приемной площадки -				
Название и назначение прибора	Диаметр, мм	Площадь, см 2	Толщина, мкм	Материал	
Пиранометр для метеоро- логической сети Балансомер для метео- сети белый круг (кр) а)	белоблестящий (Си) блестящее кольцо (ко) б)	стеклянный (БС8) в)	пиргелиометр спутни- ковый	40 кр 11  ко 13,5— 15,5 15 кр 12 ко 13—15	12,6 1,52 1,76 1,56	40 кр 30 ко 20 500 кр 2 ко 5	Си кр Си ко А1 БС8 Ag	
Фитопиранометр а) двойной (Си) б) стеклянный (КС 19) РТЭ для радиометра ИКТЭРЛ a)	d = 0,5 см б)	d = 1,0 см	J7 17 5 10	2X2,26 2,26 0,196 0,785	30 .200 2 2	Си КС19 Ag Ag	
РТЭ для излучения окг а)	приемник из меди б)	приемник из графита	21	3,46	30	Си	
РТЭ для рентгеновской и гамма-радиации а) для А > 0,08 А А <0,3 А ({/<200 кВ) б) для А > 0,2 А А <0,8 А (t/<100 кВ)	36 25	10,1 4,9	3000 500	РЬ РЬ	
644
Таблица XIV.4
	Покрытие приемника	РТЭ		Материал,> форма входного окна	Чувствитель- ность, В/Вт	Постоянная, времени, с	£>♦, см«Гц*/2х хВт—1	Пороговый поток , Вт
		Количество спаев	Сопротивле- ние, Ом					
	Чернь	100	24	стекло 46, полусфера	0,09	10	4,74-108	2,24-10'»
	кр MgCO3 ко бл	кр 20 ко 15	53	KPS-5, полусфера	0,13	3	1,69.10»	,4,2-10-»
	—	20	34	KPS-5, полусфера	0,13	40	2,38-10»	0,9-10“»
	кр MgCO3 ко бл	кр 30 ко 15	73	KPS-5 полусфера	0,13	1,5	1,46-10»	6,97-10-»
	Чернь	2X25	40	1) ув+БС8; 2) ув+КС19 полусфера		6	1,42-10»	6,1-10-»
	—	25	19	3 полусфе- ры стекло 46	0,13	50	3,44» 10»	0,61-10-»
	MgCO3	15	70		0,8	3	3,43.10»	0,78.10"»
	MgCO3	30	86	—	0,45	3	3,29-10»	1,55-10-»
	Чернь	30	43	KPS-5 плоский	0,21	4	4,56-10»	2,02-10-»
	—	100	50	А1 25 мкм, плоский	0,1	150	3,46-10»	0,75* 10~9
		70	20	Be 100 мкм, плоский	0,2	25	7,62-10»	0,58-10—9
645 •
измеряемых потоков 0—2000 Вт/м2, диаметр лучевоспринимающих
пластин 34,1 мм, коэффициент поглощения пластин 0,96, терми-
ческое сопротивление датчиков 0,8 • 10“3м2«К•Вт”1, сопротивление
нагревателей 500 Ом, чувствительность 0,036 мВ/(Вт*м2), постоян-
ная времени 2,5 с, погрешность измерений 1,5%. Термобатарея
объемом около 0,5 см3 содержит 5 • 103 спаев гальванических
термопар. По изложенному принципу разработан приемник
лучистой энергии РАП-11. Его характеристики: измеряемые тепло-
вые потоки 5—15 000 Вт/м2, чувствительность 0,02 мВ/(Вт*м2),
Рис. XIV.33. Абсолютный радиометр с повышенным коэффициентом
поглощения [16].
Рис. XIV.34. Схема абсолютного двустороннего радиометра:
1 — термобатарея; 2 — пластина из алюминия; 3 -=. электрические нагреватели;
4 — кожух проводников [19].
постоянная времени в вакууме 2,5 с, погрешность измерения 2,5%
[17].
Радиометр-зонд (рис. XIV. 35) предназначен для измерений
в агрессивных средах. Для защиты приемной площадки применен
принудительный , обдув. Параметры прибора: чувствительность
1,8 •10”9(В *м2)/Вт, угол раскрытия 1 : 12, или 5°, минимальный/
размер площадки визирования 12 X 12 мм, инерционность 10—
Радиометр полного поглощения РПП-1-04 [20]. Предназначен,
как и радиометр-зонд, для измерений лучистых тепловых потоков
в топках, камерах сгорания с автоматизированными системами
управления тепловыми режимами. Приемный элемент — коническая
полость с коэффициентом поглощения более 99%. Измеряемые
тепловые потоки 0,1—600 кВт/м2, чувствительность 10”3мВ/(Вт*м2),
погрешность измерения 5%. Для охлаждения используется про-
точная вода. Варианты радиометров описаны в работах [75, 100].
Пирометры — приборы для бесконтактного измерения темпе-
ратуры, принцип работы которых основан на зависимости энергии
равновесного излучения от температуры поверхности измеряемого
646
объекта. Пирометры разделяют на два основныхГкласса — энер-
гетические и спектрального распределения. У энергетических пи-
рометров использована зависимость энергетической яркости от тем-
пературы, у пирометров спектрального распределения — зависи
мость распределения спектральной плотности энергетической яркости
от температуры. В пирометрах полного излучения применяют не-
селективные приемники - излучения, в том числе и термоэлектри-
ческие. Если коэффициент поглощения приемной площадки при-
ем.ника в широком диапазона длин волн близок к
определения температуры с достаточной степенью
точности может быть использован закон Сте-
фана—Больцмана
£ш = <тб8и (Т| —Tf),
где <тБ — постоянная Стефана—Больцмана, 8И—
коэффициент излучения поверхности измеряе-
мого объекта, *Т2—температура измеряемого
объекта, 7\— температура поверхности прием-
ной площадки термобатареи, Ew — энергетиче-
ская яркость излучения. Поскольку возникаю-
щий в термобатарее перепад температуры и,
соответственно, термоЭДС Е пропорциональны
Ew, то для е0= 1 путем градуировки представ-
ляется возможным найти однозначную зависи-
мость Е = Е(72). ТермоЭДС регистрируется из-
Рис. XIV.35. Схема узкоугольного радиометра-
зонда:
1 — трубка затворного воздуха; 2 — штуцеры охлаждаю-
щей воды; 3 — визирное устройство; 4—пробка; 5 — дат-
чик; 6 — корпус с воздушными клапанами; 7 — входная
диафрагма [15].
единице, то для
мерительным устройством, проградуированным в ° С. Если 80 #= 1,
используют поправочную формулу
7
Т2 =	,	(XIV.20)
k
где Т2— истинная температура, Тр — радиационная температура,
полученная при измерении прибором, k — коэффициент, показы-
вающий, насколько суммарная яркость измеряемого объекта мень-
ше суммарной яркости при 80= 1 (абсолютно черного тела). Коэф-
фициент k определяется отдельно, например путем одноразового из-
мерения при известной температуре излучающей поверхности.
Свойства пирометров описываются следующими основными па-
раметрами: интервалом измеряемых температур, °C; основной
погрешностью»(%) и дополнительной погрешностью, вызванной
изменением температуры корпуса пирометра (%); быстродействием,
с; показателем визирования, равным отношению диаметра входного
окна пирометра к расстоянию до измеряемого объекта. Требования
к параметрам пирометров установлены ГОСТ 6923—74 [105].
647
Параметры наиболее распространённых отечественных пирометров
Тип прибора	Интервал измеряемых температур, ° С	Основная погрешность, %	Быстро- действие, с
ПР К-600	600—2000	1-1,7	1,8
ТЕРА-50*	400—2500	1—1,2	4,0
ПИРС-019*	20—300	2-4,5	2
ППТ-121**	400—1500	1,5	2
ППТ-121-0,1	900—2000	1,0	2
ППТ-121-0,2	1400—2500	1,5	2
ППТ-123	400—1300	1,5	2
ППТ-131	100—400	2,0	2
ППТ-131-01	300-600	-2,0	2
ППТ-131-03	400—1500	1,5	2
ППТ-131-05-08	900—2000	1,0	2
ППТ-131-07 .	1400-2500	1,5	2
ППТ-142	30—600	1,5	2
♦ Разработаны НПО «Термоприбор».
** Приборы типа ППТ являются первой очередью разработки АПИР-Св
По параметрам пирометры разделяют на широкоугольные (с
большим коэффициентом визирования, превышающим 1 : 16) и
узкоугольные (с малым коэффициентом визирования, меньшим
“ 1 : 16); на малоинерционные (< 0,5 с), среднеинерционные (до 2 с)
и инерционные (> 2 с). По способу применения пирометры разде-
ляют на стационарные и переносные; по применяемой оптической
системе — на линзовые, зеркальные, световодные.
Параметры наиболее распространенных пирометров полного
излучения отечественного производства приведены в табл. XIV. 5,
их схемы — на рис. XIV. 36—XIV. 38.
Параметры пирометров, разработанных различными зарубеж-
ными фирмами в последние годы, приведены в табл. XIV. 6.
Помимо серийно выпускаемых, разработаны многочисленные
пирометры специального назначения, изготовленные в единичных
экземплярах или малыми сериями.
Среди них пирометры для измерения температуры проволок:
Пиронит-018 — пределы измерения 100—400° С, основная погреш-
ность 5%, быстродействие не более 4 с, диаметр проволок от 2 до
6 мм; Пиронит-028 — пределы измерения 200—500° С, основная
погрешность 5%, быстродействие не более 4 с, диаметр проволок
от 0,5 до 2 мм. В приборах применена прямоугольная оптика. При-
боры разработаны в НПО «Термоприбор».
Пирометр ИКТЭРЛ-2 [63, 66] разработан в ЛЭТИ. Дальнейшее
развитие конструкция получила в приборе ИКТЭРЛ-3 [51]. При-
648
Таблица XIV.5
с термоэлектрическими приемниками излучения [2, 23, 106]
Показатель визирования	Диаметр, длина, мм	Масса, кг	Завод- изготовитель
1: 16	—	—	Люберецкий завод монтаж- ных заготовок (мелкосерий- ный выпуск)
1 :20	076, 170	1,4	Каменец-Подольский прибо- ростроительный завод
1:5	0105, 160	1,0	
1:25	025, 190	0,2	
1 : 50	025, 190	0,2	
1:50	025, 190	0,2	
—	025, 190	0,2	
1 : 15	050, 200	0,6	
1 :25	050, 275.	0,7	
1 : 50	050, 321	0,8	
1 : 100	050, 321	0,8	
1 : 100	050, 321	0,8	
1:5	0100,. 165	1,0	
выполненной в НПО «Термоприбор> (серийный выпуск с 1978 г.).
менен термоэлектрический приемник с площадкой диаметром 3 мм
сопротивлением 100 Ом и чувствительностью 1,3—1,4 В/Вт. Схема
прибора приведена на рис. XIV. 39. В усовершенствованном приборе
применен отражающий зеркальный объектив и приемник чувстви-
тельностью 3 В/Вт, электрическим сопротивлением 90 Ом, по-
стоянной времени 1 с; показатель визирования 1 : 100 [13].
Пирометр для измерений температуры биологических объектов
(растений) [67]. Конструкция прйбора приведена на рис. XIV. 40.
Измерение температуры термобатареей проводится относительно
корпуса прибора. Температура корпуса измеряется обычным термо-
метром. Чувствительность батареи 0,6 В/Вт, постоянная времени
т^4с, точность отсчета температуры ±0,1 К- При бесконтактных
измерениях температуры повышение чувствительности достигается,
если приемная площадка термобатареи расположена на небольшом
расстоянии от измеряемой поверхности. Дополнительному переносу
тепла от измеряемого объекта к приемнику в этом случае способст-
вует конвективный теплообмен [65]. В приборе применена батарея
из 35 термопар чувствительностью 0,76 В/Вт при сопротивлении
100 Ом и постоянной времени 2 с.
Измеритель температуры БИТ-% [84]. Предназначен для бес-
контактного измерения температуры электрических контактов и
кабелей. Прибор является инфракрасным радиационным пирометром
суммарного излучения с термобатареей ИТТФ АН УССР. Диапазон
измеряемых температур 20—250° С, расстояние до измеряемого
649
Рис. XIV.36. Схема телес-
копа ТЕРА-50:
1 — окуляр; 2 — контактный
винт; 3 — корпус; 4 — корпус
термобатареи; 5 — термобатарея;
6 —трубка; 7—оправа; 8—
линза; 9 — диафрагма; 10— винт;
11 — компенсационное сопротив-
ление; 12 — крышка; 13 — за-
щитное стекло.
Рис. XIV.37. Типичная схема телескопа пирометров ти-
па АПИР-С (более совершенная конструкция ПИРС-019):
1 — печатная плата; 2 — окуляр; 3 — зеркало; 4 — термобатарея;
5 — обойма; 6 — защитные жалюзи; 7 — объектив; 8 — кронш-
1 — приемник излучения (термобатарея); 2 — промежуточ-
ный преобразователь; 3 — функциональный блок; 4— блок
запоминания; 5 = блок выходного усилителя; 6 блок
питания.
650
Пирометры, выпускаемые зарубежными фирмами в последние годы
Таблица XIV.6
Фирма, страна	Модель	Пределы измерения, ° С	Основная погрешность	Показатель визирования	Быстродей- ствие, с	Примечание	Литератур- ный источник
«Leed and LNI», США	Rayotube 8890, 8891, 8891с, 8892, 8893, 8898	450—2200	—	—	0,15—6,6 (0,63)	—	[179]
«Siemens», ФРГ	ARDONOX	От —40 до 600	От —40 до 60 — 2%, более 100° С — 1,5%	1 : 7	‘ 2,5	19-спайная термобатарея	[197]
«Siemens», ФРГ	ARDOMFTE'R (группа пирометров)	400—2000	1,0-1,5%	—	2,5	11-спайная термобатарея	[196]
WTI, ГДР	INFRAPIR, Тур FE 4340	0—600	5—8° С	1: 7	0,4(0,95)	—	[149]
Wahl, США	HSA-120	От —20 до 60	1%	—	1	Переносный прибор, на- пыленная термопара	[146]
Рис. XIV.39. Конструкция радиометра ИКТЭРЛ-3:
1 корпус; 2 — приемник излучения; 3 — устройство замещения [51].
объекта 0,05—1 м, угол визирования 15 • 10 2рад, постоянная
времени 0,2 с.
Влияние температуры окружающей среды и облучаемости на
термоэлементов рассмотрено в работе [54].
Применяются пирометры и без оп-
тических концентраторов энергии [94].
В пирометрии и актинометрии [35/
45, 93, 99, 114, 144] широкое примене-
ние- получили термоэлектрические при-
емники, схемы которых приведены на
рис. XIV. 41. Они содержат проволочные
или ленточные ветви термопар, выпол-
ненные из хромель—копеля или хро-
мель—алюмеля. Центральная часть ба-
тареи черненая, иногда используют теп-
ловые шунты для компенсации темпера-
турных изменений параметров. Чувстви-
тельность приемников 0,2—0,5 В/Вт,
постоянная ’времени 0,5—3,0 с, внут-
реннее сопротивление , 10—50 Ом.
параметры радиационных
3
Рис. XIV.40. Конструкция радиометра
для измерения температуры поверхно-
сти листьев:
/ — корпус; 2 — линза; 3 — термобатарея; 4 —-
термометр [67].
Используют также приемники, у которых ветви термопар являются
приемными поверхностями. Разновидности конструкций таких
приемников приведены на рис. XIV. 42. Термобатареи изготовля-
ются сваркой лент хромеля и копеля, манганина и константана
652
Рис. XIV.41. Схема термоэлектрических приемников для пи-
рометров и актинометров:
а — проволочная термобатарея, расплющенные области спаев образуют
приемную поверхность; б — термобатарея с тепловым шунтом; в —лен-
точная термобатарея с кольцевой приемной площадкой; г — ленточная
термобатарея Волошина; / — электрическая изоляция; 2 — ветви термо-
пар; 3 — электрические выводы; 4 <= тепловой шунт.
или гальваническим путем (медные покрытия на константановой
ленте [38]). Чувствительность приемников 0,01—0,1 В/Вт, постоян-
ная времени 2—0,2 с.
- Приемники для определения энергетической ссвещенности.
Приемники ВНИИМ. Данные о приемниках приведены в
табл. XIV.7, вариант их применения — на рис. XIV. 43.
Приемник для метрологии с термопарными батареями [39—41].
Конструкция одного из лучших [42] абсолютных радиометров (ис-
пользован для международных сличений энергетической мощности)
приведена на рис. XIV. 44. Конический коллектор излучения из-
готовлен из медной фольги. На внутренней поверхности конуса
размещен манганиновый нагреватель. Конус подвешен на двена-
653
Рис. XIV.42. Варианты конструкций приемников излучения,
у которых ветви термобатарей являются приемными площадками:
а — термобатарея Молля; б — дисковая термобатарея; в — кольцевая тер-
мобатарея; г — термобатарея, изготовленная гальваническим осаждением
меди на константановую ленту; 1 —электрические выводы; 2 — ветви тер-
мопар; 3 — корпус.
654
Таблица XIV .7
Основные технические данные термоприемников для световых измерений ВНИИМ [41]
Условное обозначе- ние приемника	Приемный диск						Термобатарея					
	s s <L> S co к	Площадь, мм2	Толщина, мкм	Материал, способ изготовления	Материал черни	Способ нанесения	Количество спаев	Проволока		Сопротивле- ние, Ом	Чувствитель- ность	
								Диаметр, мкм	к S 5s		мкВ „ —— • м2 Вт	В/Вт
0—Ю—Ag—Pt	10	78,6 1,7*	10	Из фольги	Платина	Электролиз	40	12,5	2,5	460 10*	46 1,0*	0,57
0—20—Ag—Au	20	314 5,0*	5	Напыление	Золото	Катодное на- пыление	63	50	4,7	180 2,8*	98 1,6*	0,31
0—20—Ag—Pt	20	314 5,0*	10	Из фольги	Платина	Электролиз	63	50	4,7	190 2,8*	72 1,1*	0,23
0—30—Ag—Au	30	710 10,8*	5—10	Напыление	Золото	Катодное на- пыление	66	100	4,1	82 1,2*	138 2,1*	0,19
0—30—Ag—SbBi	30	710 10,8*	5—10		Сурьма— висмут	То же	66	100	4,1	108 1,6*	122 1,8*	0,17
0—40—Ag—Au	40	1255 22,4*	5—10	»	Золото	» »	63	50	6,5	248 4,4*	170 2,7*	0,12
о Примечание. Материал диска—серебро, материал спаев—хромель—копель. Расчетные данные термоспаев приблизи-
од тельно соответствуют осуществленным приемникам. Звездочкой обозначены данные д^ля одного спая.
дцати ленточных термоэлементах, внутренняя поверхность его по*
крыта камфорной чернью. Чувствительность прибора 2,6 мкВ *м2/Вт,
Рис. XIV.43. Защитная камера с термоэлектрическим приемником:
/ — термоприемники; 2 — внутренний кожух; 3 — диафрагма; 4 — крышка; 5
наружный кожух; 6 — трубка; 7 сердечники; 8 — выводные клеммы [41].
Рис. XIV.44. Конструкция абсолютного радиометра:
1,2, 3 — диафрагмы; 4 — приемный коллектор; 5 — латунный цилиндр для креп-
ления холодных спаев термопар; 6 — эбонитовое дно с двумя клеммами; 7 —
места крепления горячих спаев термопар на приемном коллекторе; 8 — корпус
[42].
постоянная времени около 3 мин, коэффициент поглощения 0,99,
погрешность измерений 1%.
Абсолютные термоэлектрические приемники лучистой мощ-
ности с термобатареями из хромель—копеля [43]. В приемную
 а
площадку прибора вмонтирован нагре-
ватель для градуировки и измерений
методом замещения. Нагреватель пле-
ночный, изготовлен напылением (рис.
XIV. 45). Конструктивные характери-
стики приемников даны в табл. XIV.8.
Приемники дают возможность проводить
измерения энергетической освещенности
от 10 до 1000 Вт • м~2 в области длин
волн излучения до 5 мкм с погреш-
ностью не более (0,5—1,0)%.
Рис. XIV.45. Абсолютный термоэлектри-
ческий приемник ВНИИМ:
а — разрез приемника; б — нагреватель с вы-
водами; 1 — нагревательный элемент; 2 — чер-
ное покрытие; 3 — ограничительная диафрагма;
4 — слюдяной диск; 5 — термобатарея; 6, 8 —
выводы от нагревательного элемента; 7 — вы-
воды от термобатареи; 9 — серебряный диск
[42].
Полостной приемник излучения ПП-1. Предназначен для ат-
тестации тепловых и других типов приемников в диапазоне от 0,25
до 30 мкм. Является неселективным первичным измерительным
656
Табл и ц a XIV.8
Основные конструктивно-технологические х арактеристики приемников ВНИИМ
Приемный серебряный дрек		Термобатарея (хромель—копель)				Толщина слюдяного диска, мкм 5	Нагревательный элемент				Чернь
Диаметр4 мм	Толщина t мкм	Количество спаев	Проволока		Сопротивле- ние, Ом		Материал	Ширина полоски, мм	Длина под- водящих концов, мм	Количество полосок	
			Диаметр, мкм	Длина, мм							
7,5	10	17 14	25	2,0X2	80	5-10	Au Au+Cr Au+SnO2	0,30	12,5	6	Au ЗМ
10	10	33 * 24	50 25	5,2x2 1,6x2	НО 50	5—10	Au Ni Au+Cr Au+SnO2	0,35	11,5	3	Au Sb—Bi ЗМ
15	10	43 54	25 50	1,6X2 3,1X2	100 300	10-20	Au Au+Cr Au+SnO2	0,60	12,5	12	Au '
20	20	55 66	50	4,1х£ 2,2x2	180 120	10—20	Au Au+Cr Au+SnO2	0,70	14,5	6	ЗМ Au
30	50	62	100	4,1x2	100	20—50	Au Au+Cr Au+SnO2	1,20	12,5	15	ЗМ ЗМ
Примечание. ЗМ — краска.
преобразователем с конической приемной полостью диаметром 4 мм
и углом при вершине 15°. Внутренние стенки конуса зачернены.
Коэффициент поглощения в спектральном диапазоне 0,25—15 мкм
не менее 0,994, в диапазоне 15—30 мкм не менее 0,9. В приборе
использована термоэлектрическая батарея сопротивлением 10 кОм.
Приемник содержит две приемные полости — одну рабочую, дру-
гую компенсационную. Чувствительность около 1 В/Вт. Диапазон
измеряемых мощностей от 5 • 10-8Вт до 7 • 10“3Вт, постоянная
времени не превышает 5 с. По метрологическим и техническим ха-
рактеристикам является лучшим из имеющихся в настоящее время
аналогичных приемников излучения.
Эталонный приемник для абсолютных измерений радиации
в оптическом диапазоне волн [61] содержит четырехкамерный пря-
моугольный коллектор — модель черного тела размерами 10 X
X 12 X 3 мм, изготовленную из медной фольги толщиной 40 мкм.
Внутренние стенки черненые. К задней стенке вмонтирован нагре-
ватель и горячие спаи термопар. Термобатарея хромель—копель
из восьми термопар диаметром 50 мкм и длиной 7 мм, к холодным
спаям припаяны рассеиватели тепла в виде зачерненных пластинок
2 X 5 мм из медной фольги толщиной 25 мкм. Коэффициент погло-
щения камеры 0,9985. Точность градуировки 2,5%, чувствитель-
ность 0,08 В/Вт.
Вакуумные батарейные приемники для спектральных работ и
дозиметрии (рис. XIV. 46, XIV. 47). В вакуумном приемнике с
зеркальной сферой [61] использована серебряная плоская прием-
1	2	3 4
Рис. XIV.46. Конструкция приемника излучения
для спектральных работ:
1 — приемная площадка; 2 — изоколлектор; 3 — слюда;
4 — держатель; 5 — термопары хромель — копель (0100
мкм, I = 5 мм) [48].
ная площадка диаметром 5 мм и толщиной 10 мкм, черненая с одной
стороны и полированная с другой (рис. XIV. 48). Площадка под-
вешена на трех термопарах хромель—копель диаметром 25 мкм
и длиной 5 мм к кольцу из серебра толщиной 20 мкм, с внутренним
диаметром 10 мм и внешним 14 мм. Приемник охвачен двумя стек-
лянными зеркальными полусферами диаметром 34 мм. Чувстви-
тельность в вакууме 2,16 В/Вт, степень черноты 0,9886, сопротивле-
ние термопар 38 Ом.
В настоящее время в спектральных приборах чаще всего ис-
пользуют дифференциальные приемники из полупроводниковых
материалов.
Актинометры — приборы для измерения потоков лучистой
энергии в атмосфере и гидросфере, для исследования радиационных
свойств естественных поверхностей и сред [35, 45, 57, 96].
658
Пиргелиометры используют для измерения прямой солнечной
радиации. К числу абсолютных (компенсационных) относятся
приборы, выполненные по схеме Онгстрема. Они содержат две
плоские приемные площадки из манганина, одна поверхность пло-
щадок черненая, к центру другой присоединены спаи дифференци-
альной медь-константановой термопары. Приемные площадки иден-
тичны, при их освещении солнечными лучами ЭДС термопары рав-
на нулю. Измерение мощности потока излучения производится
при облучении одной из площадок, через другую пропускают элек-
трический ток, тепловое действие которого эквивалентно облуче-
нию. При равенстве температур на площадках электрическая мощ-
Рис. XIV.47. Конструкция приемника излучения для дозиметрии:
/, 2 — приемные площадки; 3 — термопары хромель — копель (0 100 мкм); 4,
5 — изоляторы; 6 — слюда [48].
Рис. XIV.48. Приемник со сферической отражающей поверхностью:
1 — серебряная приемная площадка; 2 — стеклянный зеркальный шар; 3 — тер-
мобатарея; 4 — зеркальное кольцо для теплосброса [61].
ность равна мощности излучения. Площадки помещены в трубча-
тый корпус с диафрагмами для защиты от посторонней радиации
и ветра.
В пиргелиометре конструкции Бойко использована одна диа-
фрагма, основание с площадками вращается в корпусе; количество
термоэлементов удвоено.
В приборе Янишевского применены круглые диафрагмы,
увеличено число приемных площадок, использована термобатарея
из 23 элементов, что позволило повысить чувствительность и быстро-
действие.
Для измерений солнечной радиации используют также акти-
нометры с термобатареей из ленточных или проволочных термопар,
по конструкции подобные приведенным на рис. XIV. 41, XIV. 42.
В центре батареи установлен серебряный черненый диск, наружные
спаи термостатирбваны корпусом прибора. Интенсивность радиации
определяется по развиваемой термобатареей ЭДС, приборы предва-
рительно градуируются. К таким приборам относятся актинометры
Савинова конструкции Янишевского, Линке — Файснера с лен-
точными термопарами, Молля — Горчинского, Эпплея и др. Ши-
роко применяется актинометр АТ-50 с термобатареей из мангани-
новых и константановых полосок. Сведения о приборах приведены
в табл. XIV. 9.
Вариант абсолютного термоэлектрического актинометра [37]
приведен на рис. XIV. 49. Градуировка прибора производится
электрическим нагревателем. По расчету различие в тепловых по-
659
099
Т аблица XIV.9
Параметры некоторых типов термоэлектрических актинометров
Тип прибора	Размеры приемной площадки, см2	Количество термопар	Сопротивле- ние термо- батареи, Ом	Чувствительность		Инерцион- ность **4т, с
				В/Вт	(В.м2)/Вт.1О*	
Пиргелиометр Онгстрема	1,9 X 0,2	1	—	Максимальная погреш- ность 0,01—0,05 кал/(см2»мин)		—
Пиргелиометр Бойко	—	2	—	—	—	—
(з-д «Эталон»)					3,4	
Пиргелиометр Янишевского	0 1,0 см	23	—	—		6—8
Пиргелиометр Молля—Гор-	—	80	60	—	35,8	—
чинского						
Пиргелиометр Эпплея	—	8	6	—	8,6	—
Пиргелиометр Волошина	—	24 и более	—	—	—	—
Актинометр АТ-50	—	—	14—22	—	7,9—10,7	14—25
Актинометр Савинова конст- рукции Янишевского	0 1,0 см	36	13—20	—	7,2—10	14—20
Актинометр х блендой Лин-	—	20	70	—	14,3—21,5	—
ке—Файснера					4,3	
Пиранометр Янишевского	2X2	28	13	—		
	3X3 4X4	87 112	30 45	—	11,3 ’ 20	20—100
Пиранометр Янишевского с ра- диальной батареей	—	—	20—35	—	8,2—10,7	—
Пиранометр Савинова	6Х 5,4	34				
Пиранометр Онгстрема	—	—					0,43; под 1	
					плоским матовым	
					стеклом 0,11	
Пиранометр Калитина	0,2 X 2,0—	20—30	6-15	—	1,1— 2,2	120
	0,4 X 3,0					
Пиранометр Киппа G18	1,0 X 1,4	14	10			8,6—11,3	15
Пиранометр Эпплея	—	10-55	35	—	2,8	20
	—	10—55	100	—	11,3	30
	5,1	—	390	0,006	3,0	, -
Пиранометр Волошина	—	48, 12, 24	20	—	17,2	7
Звездный пиранометр	—	32	5			2,8	20
Пиранометр ЛЭТИ № 356	19,6	—	30	0,09	1 9		
Пиранометр ЛЭТИ № 357	12,5	—	30	0,08	100		
Пиранометр типа М80, ГГО,	10,9	—	30	0,012	13,23		
№ 8213 Пиранометр типа М80, ГГО,	10,9		30,5			
				0,0107	11,71	
№ 10612						
Пиранометр Молля—Горчин-	3,45	—	10,4	0,031	10,81	—
ского						
Пиранометр Дирмхирна	9,0	—	7,0	0,0033	3,0		
Балансомер Михельсона	6 X 1	—	20	—	0,43	—
Балансомер Янишевского	5,5 X 5,5	320—330	60—70	—	10—12,9	4—11
Пиргеометр Онгстрема	(0,3 X 2,0) х 4	2	—	—	—		
Пиргеометр Савинова’	—	4X62	40	—	14+1,4	15
Пиранометр М-80	—	—	25—30	—	10—15,7	40
Пиранометр П 3 X 3	—	1—	25—30	—	10—15,7	40
Балансомер М-10	—	—	50±10	—	Ю,7±2,1	15
Походный альбедометр АП	—	—	25—30	—	10—15,7	40
зхз						
Балансомер полупроводнико-	—	—	—	—	55	—
вый БРП						
токах при нагревании электросопротивлением и при облучении
не превышает 1%. Энергия, отводимая через термобатарею, дости-
гает 90%. Ошибка градуировки не более 0,Г%. В приборе приме-
нена дифференциальная схе*ма включения батарей. Параметры при-
бора: чувствительность 30 мВ/Вт, инерционность 20 с, площадь
приемной поверхности 0,95 см2, коэффициент поглощения 0,95,
сопротивление батареи 120 Ом, погрешность измерений 1%.
Пиранометры применяются для измерений суммарной и рас-
сеянной в атмосфере радиации Солнца. Для уменьшения влияния
длинноволнового излучения, обусловленного разогревом атмосфе-
Рис. XIV.49. Схема абсолютного термоэлектрического акти-
нометра:
7 — приемник; 2,5 — термобатареи; 3 — нагреватель; 4 — компенсацион-
ный приемник; 6 — диафрагма [37].
Рис. XIV.50. Пиранометры ЛЭТИ с одним (а) и двумя (б)
полусферическими входными окнами:
1 — приемная площадка; 2 — входные^'окна; 3 — термобатарея; 4 — теп-
лоотвод [60].
ры и поверхности Земли, используют фильтры [56, 68] или диффе-
ренциальные термобатареи, у которых спаи каждого термоэлемен-
та присоединены к приемным площадкам с избирательным погло-
щением. Для абсолютных измерений используются пиранометры
Онгстрема. Применяют и относительные приборы, требующие гра-
дуировок (вакуумный пиранометр Калитина, пиранометр Янишев-
ского с ленточными батареями, пиранометры Киппа, Эпплея,
Волошина, звездный пиранометр и др.). Широко применяются се-
рийно выпускаемые пиранометры М-80 и П 3 X 3 (см. табл. XIV. 9).
На основе термоэлектрических батарей [60] в ЛЭТИ разрабо-
таны пиранометры, схемы которых приведены на рис. XIV. 50.
Параметры прибора приведены в табл. XIV. 10, сравнительная
характеристика приборов — в табл. XIV. 9. Параметры других
типов приборов приведены также в табл.' XIV. 9.
Для повышения точности измерения плотности полусферическо-
го излучения [1] предложено использовать приемную площадку,
разделенную на изолированные друг от друга секторообразные
лепестки, в которые вмонтированы спаи термобатареи. Расчет чув-
ствительности и инерционности газонаполненных радиационных
термоэлементов с выделенной приемной площадью приводится в ра-
ботах [11, 27].
662
Таблица XIV.10
Параметры пыранометров ЛЭТИ [60]
Параметр	Пиранометр с одной полусферой	Пиранометр с двумя полусферами
Приемная площадка, см? Количество термопар Сопротивление, Ом Чувствительность, В/Вт Сигнал при единичной облучен- ности, В/(Вт • см2) Инерционность, с Косинусоидальная функция р •	sin h п~- пн/пё<1-90 (h— высота Солнца) Вариация локальной чувствитель- ности между центром и краем, % Изменение удельной чувствитель- ности при вариации окружаю- щей температуры на АТ	1 К, % Габаритные размеры корпуса, мм Масса, г	19,6 (черный круг 0 50 мм) 120 30 . 0,09 1,78 Г0,63 = 7 Л), 95 ~ 40 0,98 при h—20° 8 0,3 060;	100 600	12,5 (черный круг 040 мм) 100 30 - 0,08 1,00 Л),63 = 6 Л),95 = 30 0,96 при /1д=20° 7 0,3 075; 1^=140 700
Радиационные балансомеры. Ими производится измерение раз-
ности потоков радиации, поступающей на поверхность Земли и от
ее поверхности. Прибор содержит две приемные площадки, распо-
ложенные параллельно друг над другом. Наружные стороны пло-
щадок зачернены, между внутренними поверхностями установле-
на термобатарея. ЭДС термобатареи пропорциональна разности по-
токов излучения, поступающих на приемные площадки. Приборы
или градуируют, или проводят абсолютные измерения с помощью
нагревателей, вмонтированных в приемные площадки для компен-
сации разности потоков (прибор Михельсона). Широко применяют
балансомер М-10; в нем использована термобатарея из константа-
новой ленты с нанесенным слоем серебра. Параметры балансомеров
приведены в табл. XIV. 4, XIV. 9.
Используют также радиационные балансомеры, содержащие
две пары последовательно и дифференциально включенных термо-
батарей [62]. Батареи попарно присоединены горячими спаями
к двум парам противоположно направленных приемных площадок.
Каждая пара площадок обладает избирательным коэффициентом
поглощения — одна из них имеет покрытие, воспринимающее ко-
ротковолновую область радиации, другая — покрытие, воспри-
нимающее область длинноволновую. Холодные спаи прикреплены
663
к теплоотводящим усиками. Система помещена в корпус с полусфери-
ческими окнами — фильтрами. Таким путем компенсируется ко-
ротковолновое излучение и измеряется разность потоков длинно-
волнового излучения.
Пиргеометры для измерений излучения от поверхности Земли.
Как и приборы предыдущих типов, они подразделяются на абсо-
лютные (типа Онгстрема или с компенсацией теплового потока)
и относительные, представляющие собой батареи термопар, спаи
которых прикреплены к черненым и отражающим приемным пло-
щадкам. При использовании ленточных термобатарей (см. рис. XIV.
42) чернится половина ветви каждой термопары. Сведения о при-
борах даны в табл. XIV. 9.
§ 4. Приемники
с анизотропными термоэлементами
Известно, что инерционность приемника излучения с термопарным
элементом, если достигнута минимальная теплоемкость, можно сни-
зить путем уменьшения теплового сопротивления термопары, что
приводит одновременно и к снижению чувствительности. При исполь-
зовании термоэлементов, генерирующих поперечные термоЭДС,
чувствительность не зависит от геометрического размера термоэле-
Рис. XIV.51. Схема приемника излучения с анизотропным-
термоэлементом:
1 — облучаемая поверхность; 2 — теплоотводящая поверхность.
Рис. XIV.52. Схема приемника излучения с вихревым термо-
элементом:
1 — монокристаллическая спираль пирамидальной формы; 2 — полость;
3 —термостат.
мента вдоль теплового потока, что в принципе снимает ограничения
в возможностях создания быстродействующих приемников излу-
чения без потери чувствительности. Эту особенность используют
при разработке приемников излучения с анизотропными, вихре-
выми и другими типами термоэлементов, генерирующих попереч-
ные термоЭДС.
Схема приемника с анизотропным термоэлементом приведена
на рис. XIV. 51. Для модели приемника с площадью приемной
площадку совпадающей с площадью поперечного сечения термО-
664
элемента, выражения для чувствительности и постоянной времени
имеют вид
. са ео(ац-а±)
------------2ЙЬ ’
4 hl	(XIV.21)
Т = ~2 — ,
л. а0
где а0 — температуропроводность материала вдоль направления
теплового потока, х — теплопроводность материала.
Выражения (XIV. 21) получены для стационарных тепловых
потоков в предположении, что теплоотвод от боковых граней
пренебрежимо мал, а поперечный эффект Пельтье незначителен.
Облучение модулированным тепловым потоком приемной площадки
анизотропного термоэлемента или спиральной вихревой-термобата-
реи (рис. XIV. 52) может привести к образованию разных по значе-
нию градиентов температуры в различных областях кристалла и,
следовательно, к возникновению замкнутых вихревых токов [4].
Условие минимума вихревого тока получено в двух тепловых
режимах работы приемника-. В первом режиме теплопроводность
и теплоемкость теплоотвода значительно больше, чем у анизотроп-
ного кристалла, а высота последнего выбирается так, чтобы при
круговой частоте модуляции со падающего потока излучения тепло-
вой режим термоэлемента был квазистационарным:
й0 = 0,91 ]/".	(XIV.22)
В этом случае
сопротивление
обнаружительная способность D* и электрическое
приемника г определяются выражениями
П, ео<У/2 ,
8 (МБ)1/2П ’
г 2ла0
(XIV.23)
(XIV.24)
где I — длина
Во втором режиме толщина приемника выбирается близкой
к коэффициенту теплоусвоения, характеризующему условную тол-
щину равномерного прогрева полуограниченного термоприемника
в условно-периодическом состоянии:
h °пт = 5 = о, 11 ]/^ •	(XIV.25)
Выражение (XIV. 25) получено в предположении, что тепло- и тем-
пературопроводность теплоотвода* и приемника примерно одина-
ковы. Параметры приемника в этом режиме:
D - V	<XIV'26>
• <XIV-27>
665
В табл. XIV. 11 приведены значения параметров приемников
с анизотропным термоэлементом из материалов со значительной
анизотропией термоЭДС (ширина кристалла b = 0,05 мм). Как вид-
но, приемники с анизотропным термоэлементом при высоких часто-
тах сигнала не уступают лучшим образцам болометров, сохраняя
все преимущества термоэлектрических приемников.
Таблица XIV.11
Параметры приемников излучения из анизотропных термоэлементов
в квазистационарном режиме
CdSb —400 К				Bi—Sb — зоо к			
т, с	D*, смХ ХГц*/2х хВт—1	г, Ом	h0, мкм	Т, с	D*, смх ХГц1/гх ХВт—1	г, Ом	h0, мкм
2,2	7 • 107	17,5	2850	2,2	4 • 108	0,005	6240,00
2,2-10~2	2,2 • 107	175	285	2,2.10-2	1,2 • 108	0,053	624,00
2,2.10-*	0,7 • 107	1750	28,5	2,2.10-4	4 • 107	0,53	62,40
8,9-10~6	3,2 . 106	8750	5,70	8,9*10-6	1,8 • 107	2,65	12,50
2,2-10- 6	2,2 . 106	17 500	2,85	2,2-10~6	1,2 • 107	5,3	6,25
Приемник, где применение анизотропного термоэлемента эк-
вивалентно замене батареи из нескольких сотен' медь-константано-
вых термопар, описан в работе [95]. Приемная площадка — 1,4 X
X 1,4 см изготовлена из медной фольги толщиной 0,02 мм и покрыта
камфорной чернью. В каждом приемном элементе содержится по
три анизотропных термоэлемента из CdSb длиной 14 мм, высотой
1,2 мм, толщиной 0,3 мм. Сопротивление приемника 2—3 кОм,
чувствительность прибора 0,15 В/Вт.
Использование для регистрации ИК излучения спиральных
вихревых термоэлементов позволяет повысить неселективность,
особенно в дальней ИК области спектра, и уменьшить дополнитель-
ные потери, возникающие на электроизолирующем теплопереходе
между анизотропным кристаллом и приемной площадкой [4, 5].
В приемниках с вихревым термоэлементом (рис. XIV. 52) поверх-
ность спирали непосредственно используется в качестве коллектора
излучения. Выбором формы спиралей представляется возможность
получить необходимую степень черноты. Для формы полости, об-
разованной спиралью, расчеты степени черноты, проведенные по
методу Спэрроу [103], дают 8 = 0,95. Приближенный расчет пара-
метров приемников излучения с вихревыми термоэлементами может
производиться по формулам для приемников с анизотропными термо-
элементами. В этом случае каждый виток спирали рассматрива-
ется как четыре последовательно включенных термоэлемента. Рас-
пределение потока излучения по внутренней поверхности спирали
рассчитывается отдельно.
666
§ 5. Приемники лазерного излучения
1. Общая характеристика приемников
лазерного излучения
Большинство приемников лазерного излучения представляет собой
калориметрические устройства с коллекторами лучистой энергии
различной формы и термопарами или батареей термопар для из-
мерения температуры коллектора.
Уравнение теплового баланса для калориметров [33] при равно-
мерном обогреве коллектора энергии имеет вид
с + а'Т {Z) = e°r (Z)>	(XIV.28)
Где с — теплоемкость нагрузки калориметра, а' — коэффициент
Теплообмена с окружающей средой, 80 — коэффициент поглощения
нагрузки, T(t) — разность температур между нагрузкой и внешней
средой, W(t) — падающая мощность. Решение (XIV. 28) при W =
= conbt и Т’(О) = О

(XIV.29)
где т = — —- постоянная времени нагрузки калориметра. Для стацио-
нарного случая, когда t	оо,
=	(XIV.30)
Если на калориметр действует импульс
1ГИ прямоугольной формы продолжи-
тельностью ти, то
7'маКс = -^(1-^ТиЛ)- (XIV.31)
При ти < т нарастание температуры
экспоненциальное. Приближенно для
начальных периодов времени экспоненту
можно аппроксимировать зависимостью
801Ft
Гмакс = —f21- (XIV.32)
откуда определяется 1Гити — энергия
Таблица XIV.12
Критические значения
плотностей энергии
при облучении медного
коллектора [55]
Длительность импульса, с	Критическая плотность энергии, Дж/см2
10-7	2,9
10-«	9,2
10~5	29
ю-4	92
10~8	290
излучения.
В приемниках лазерного излучения происходят многочислен-
ные неконтролируемые потери энергии падающего излучения [108],
поэтому погрешность измерений в большинстве случаев не менее
3—5%. иногда 1%. В приемниках лазерного излучения при боль-
ших плотностях энергии могут произойти перегревы коллектора
и его разрушение. В табл. XIV. 12 приведены значения плотностей
энергии, приводящие к разогреву поверхности меди до температуры
кипения (2800Q С). Нарастание температуры происходит до конца
667
действия импульса, теплообмен поверхности металла с окружающей
средой влияет на перегрев несущественно. Допустимый перегрев
поверхности приемной площадки для различных материалов опре-
деляется по формуле [74]
(XIV.33)
г = 1,12-----~ ,
у срок у t
Рис. XIV.53. Номограмма для определения допустимой плотнос-
ти энергии излучения и минимальной толщины площадки плос-
костного приемника лазерного излучения по известной длитель-
ности импульса, допустимым температурам поверхности, объему
приемной площадки и ее излучательной способности. Штрихов-
кой приведен пример для /^=4 • 10~6с, Ts=600°C, Tcpj=200°C,
8q := 0,2.
Номера здесь и далее указывают очередность построений [74].
где х — теплопроводность материала плоской приемной площадки,
с — теплоемкость, р0 — плотность, t — длительность теплового
импульса, w$ — поверхностная плотность энергии облучения при-
емной площадки. После выравнивания перепадов температуры в
площадке ее средняя температура приближенно определяется как
СР CpJlQ ’
где hQ — толщина площадки.
(XIV.34)
668
Значение Тср обычно ограничивается свойствами материалов
приемника (температурной стойкостью клеев, температурами при-
поев, применяемых для монтажа термобатарей, и др.). Из (XIV. 33),
(XIV. 34) определяется толщина площадки при заданных , t
Рис. XIV." 54. Номограмма для определения наибольшей
избыточной температуры приемной площадки плоскост-
ного приемника лазерного излучения по известной из-
лучательной способности, плотности энергии и толщи-
не приемной площадки. Штриховкой приведен пример
для wsi= 10 Дж/см2, h0 s= 0,15 мм, ео^=О,2 [74].
и материале площадки. Для удобства расчета построены номограм-
мы (рис. XIV. 53—XIV. 55).
Экспериментальное определение температуры поверхности ме-
талла, подвергнутого лазерному излучению, производится с по-
мощью двух брусков, образующих термопару. Область границы
раздела брусков облучается, возникающая при этом термоЭДС
используется для определения степени нагрева [121].
Обычные методы повышения коэффициента поглощения кол-
лекторов (чернящими красками и лаками, металлической чернью)
малопригодны в приемниках излучения большой плотности энергии.
669
Для этой цели применяют коллекторы сложной формы, в которых
происходит многократное отражение излучения (см. рис. XIV. 3 —
XIV. 6). Такими коллекторами достигается также уменьшение плот-
ности энергии на единицу поверхности и, следовательно, расшире-
ние диапазона измерений в сторону больших мощностей и энергий.
Рис. XIV.55. Номограмма для определения чувствитель-
ности плоскостного приемника лазерного излучения по
заданной площади приемной площадки s, ее толщине
/i0, числу термопар, термоЭДС термопары а, мкВ/К, и
излучательной способности материала площадки 80 [74].
2. Приемники с плоским коллектором
Приемники лазерного излучения, разработанные в ЛЭТИ [73]
(рис. XIV. 56). В них использованы хромель-копелевые термоба-
тареи из трехсот термопар с приемной графитовой пластиной тол-
щиной 1 мм; на тыльную сторону пластины нанесен теплоуравни-
вающий слой меди толщиной 0,1 мм. Холодные концы термопар
крепятся к медному рассеивателю. Для уменьшения конвективных
потоков чувствительный элемент помещен в корпус со входным
окном. Для уменьшения теплопереноса корпус иногда заполня-
ется ксеноном. В приемную площадку встроен эталонный нагрева-
670
тель. Параметры таких приборов, разработанных в ЛЭТИ, приве-
дены в табл. XIV. 13.
Приемник с плоским графитовым коллектором и отражателем
(рис. XIV. 57) [70]. Приемная площадка контактирует с термобата-
реей через слюдяную полоску толщиной 5—10 мкм.
Рис. .XIV. 56. Схема плоскостного
приемника ЛЭТИ:
1 — входное окно; 2 — графитовая площад-
ка; 3 — термобатарея; 4 — рассеиватель
тепла; 5 — корпус [73].
Холодные спаи термопар расположены на медном диске. Батарея
содержит 40 термопар из хромеля и копеля. Прорези в графитовой
площадке шириной не более 0,06 мм позволяют увеличить ее элек-
трическое сопротивление и использовать площадку в качестве ре-
зистивного элемента при градуировке. На противоположной сторо-
Т а б л и ц а XIV.13
Параметры плоскостных приемников лазерного излучения,
разработанных в ЛЭТИ [73]
Размеры приемной площадки, мм	Площадь приемной площадки, см2	Материал приемной площадки	Толщина приемной площадки, мкм	Количество термопар	Чувстви- тельность		Сопро- тивле- ние, Ом		Постоянная времени, с	Наполнитель	Материал входного окна
					В/Вт	мВ/Дж	термобатареи	градуировочного нагревателя	|			
010 021 140X40 060 260x60 260X60 760X60	0,78 3,4 56 28,2 156 156 456	Серебро Медь Графит » Стекло ЗС-2 Графит »	2 17 1000 1000 1500 1000 1000	30 60 100 80 100 100 300	0,21 0,19 0,03 0,04 0,018 0,014 0,017	2,7 0,2 1,1 0,11 0,21 0,3	80 99,3 72 91,3 70 67 263	20 41 39 41 127	0,75 н,з 73 60 240 90 71	Воздух Ксенон Воздух » » » »	KRS-5 Кварц Стекло » » '» «
не диска размещена компенсирующая термобатарея. Коэффициент
поглощения графитовой поверхности увеличивается при обработ-
ке абразивным порошком М-14 до ео=О,8ч-О,9 (рис. XIV. 58).
Для увеличения коэффициента поглощения над приемной площадкой
размещен полусферический отражатель, частично возвращающий
отраженное графитом излучение; при наличии отражателя е0=
= 0,95 4- 0,98. Для двух вариантов калориметров с различными
671
площадями приемных площадок получены следующие параметры:
для площадки s = 6,25 см2 чувствительность 3,2 мВ/Дж или
0,08 В/Вт, постоянная времени 17 с; для площадки s = 3,8 см2
чувствительность 5,3 мВ/Дж, постоянная времени 12 с/Неоднород-
ность локальной чувствительности
не более 3%, полная среднеквад-
ратичная погрешность не более
7%.
В ряде приемников [24] (табл.
XIV. 14) увеличение коэффици-
Рис. XIV.57. Калориметр с плос-
кой приемной площадкой:
7 — полусфера с внутренним зеркаль-
ным алюминиевым покрытием; 2 — кор-
пус; 3 — приемная площадка; 4 — мед-
ный диск; 5 — компенсирующая прием-
ная площадка; 6—компенсирующая
термобатарея; 7 — рабочая термобата-
рея; 8 —прорези в площадке [67].
ента поглощения металлических приемных площадок достигается
сажевым покрытием пульверизацией и электрохимическим черне-
нием. На графитовых площадках поглощение возрастает, если на-
несены концентрические канавки с углом при вершине 60°. Коэф-
Рис. XIV.58. Спектральные зависимости коэффициентов поглощения
графита (/) и приемной площадки с отражающей полусферой (2) [70].
Рис. XIV.59. Схема дискового калориметра:
/ — диск; 2 — теплоотвод; 3 — проводящая трубка; 4 — выводы термопары; 5—*
нагреватель; 6 —охлаждающие ребра; 7 — вывод нагревателя; 8 — термобата-
рея [153].
фициент-поглощения в этом случае достигает 0,95 в интервале 0,4—
10 мкм.
Выравнивание зонной чувствительности достигается перерас-
пределением спаев термопар под приемной площадкой.
При разработке быстродействующих приборов расстояние меж-
ду приемной площадкой и теплоотводом уменьшают до 0^3 мм и за-
672
Табли"ц"а XIV. 14
Параметры дисковых термоэлектрических приемников [24]
Материал приемной 1 площадки	Диаметр приемной площадки, мм	Толщина приемной площадки, мкм	Сопротивление, Ом		Чувствительность, мВ/Дж	Постоянная време- ни, с	Локальное измене- ние чувствитель- ности, %
			термобатареи	градуировочного нагревателя			
Серебро	10	2	85 90	—	530 200	1,2 0,6	10 20
	21	17	100	32	28	5	4
Медь	80	50		150	4,5	22	15
	160	100	230	500	1,0	40	20
Графит	21	500	60	—	13	20	10
	50	900	120	37	3,5	27	15
полняют диэлектрическим материалом; в этом случае постоянная
времени убывает до 0,5 с. Улучшенные варианты приемников опи-
саны в работе [85].
Приемник для измерения мощности широких, или расходящихся,
непрерывных, или импульсных, лазерных пучков [153]. В приборе
использован дисковый калориметр с приемной площадкой из алю-
миниевого сплава с черным анодированным покрытием, обработан-
ным распылением абразивной эмульсии. Схема прибора приведена
на рис. XIV.59. Вместе с диском изготовлена проводящая трубка,
по которой тепло от нагретого диска переносится к теплоотводу.
Перепад температуры в трубке регистрируется медь-константано-
вой батареей из четырех термопар, изготовленных из проволоки
диаметром 0,13 мм. Градуировка производится нагревателем из
манганина диаметром 0,13 мм и сопротивлением около 90 Ом. При-
бор измеряет мощность в пределах 1—30 Вт; погрешность измере-
ний при диаметрах 4—5 см составляет +2,4%, при диаметрах 2 см
±3%, при малых диаметрах — до 4,4%.
Приемник для непрерывного измерения оптической мощности.
Коллектор изготовлен из массивного медного бруска [187] с одной
черненой стороной. В брусок вмонтирован спай термопары? другой
спай располагается в вакуумированной полости с постоянной тем-
пературой. При облучении бруска его температура возрастает.
Температура зависит от длительности и мощности облучения. При
известных теплоемкости бруска, степени перегрева и длительности
22 9-413.	61Я
Таблица XIV.15 Параметры приемников лазерного излучения ВНИИОФИ [44, 97]	хм ‘вэоеэд	< Ю Ю Ю Ю — 04	— Г-Н
	Габаритные размеры преобразователя, мм	ю ю о о О СО ОЧ Tf тГ Ю	СО	—н -Н о х^хххх^ о Хюооо У ' ОО	QO XqXXXXq о юоооw О О Tfсо —< -н 04 —<
	э ‘инэиэсЗа ВВННИОХООЦ	1 ISS8S 1
	% 'чхэон -madJou ьенчггэх -иэонхо ввнаопэо	Ю Ю 04 Ю ю ю ю < >—Н Г—1	( »—
	WW 'ИМ'П'вТПОП’Н ион -wandn dxawBH'n'	О I о о о о о СО 1 Ю Ю О <£> Ю 04
	Чувствитель- ность	н ь н Ь н ^СП СП CO CO CQ со си си	со w w w w W м W 2 2 2 S S S 2 о о о ю ю ю о Ю СО О —< OJ со Ю 04 —< —•	—<
	jwo/xq ‘ихэон -hiow qxooHxoirn BBHqirawHOMBYV	О 2 О О О Ю О — , Ю Ю Ю Ь- —<
	Пределы длительности импульса, с	7 7	7 о о	о 7 1 1 I 1 1 1 Х> «О	«о 1 1	1 О О	о г—Ч т—И	1
	Пределы измерений	н s	Н Н СО И Л н CQ СП >^СП	о^ СП	ООО ^ооооюо СОЮ Ю Ю —1 2 1 1 1 1 1 1 Ю -н о о о —• О о ююоо-
	гои 'емьЛп dxawBH'n'	о Ю Ю Ю Ю СП ю ю ОЧ Tt< тф Tf —И Ю Tf 1 1 1 1 1 1 1 со ю о о о ю СО Ю
	denowdax оахээьи1гоу[	° 1 1 1 1 IS
	! Тип прибора	S ’ O-ti —< 04 ю 00 —1 —’ —. SSSSSSS ССССЕЕф HhHHHhS
облучения определяется
мощность лазерного по-
тока. Прибор предвари-
тельно градуируется по
проточному калоримет-
ру-
Приемник для лазе-
ров СО2 с двумя идентич-
ными [151] плоскимипло-
щадками и дифференци-
альной термобатареей
между ними. Излучение
поглощается слоем А12О3,
нанесенного на алюми-
ниевую пластину (е0>
>0,95). Энергия лазер-
ного излучения рассчи-
тывается непосредствен-
но по изменению темпе-
ратуры алюминиевой
пластины известной теп-
лоемкости. Уровень шу-
мов калориметра соот-
ветствует 2 мДж/см2.
Прибор позволяет про-
изводить измерения энер-
гии отдельного импульса
длительностью 1 мс,
плотностью 10 мДж/ см2.
Погрешностьзонной чув-
ствительности около 5%.
Приемники V зер-
кальными коллекторами
энергии. Для увеличения
верхнего предела изме-
рений в качестве прием-
ной площадки использу-
ют полированные диски
(зеркала) из меди или се-
ребра [3]. Для сохране-
ния высокой отражаю-
щей способности зеркало
помещается в ' вакуум
10~- мм рт. ст. Прибор
использовался для изме-
рений энергии импуль-
сов с длиной волны
1,06 мкм и длительно-
стью 1 мкс. Применение
медных зеркал позволи-
ло производить измере-
ние плотности энергии
до 40 Дж/см2, серебря-
ных — до 80 Дж/см2.
674
Температура дисков измерялась термопарой железо — констан-
тан.
Приемники излучения ВНИИОФИ — калориметрические из-
мерители мощности и энергии непрерывного и импульсного излуче-
ния в спектральном диапазоне 0,5—11 мкм. В приборах примене-
ны плоские коллекторы и хромель-копелевые термобатареи [44,
97]. В основу работы приборов положен метод замещения. Обмотки
замещения уложены в специальные пазы коллекторов. Материал
коллекторов — графит РГ-В К или сплав Д16; для повышения коэф-
фициента поглощения на приемные поверхности нанесены концен-
трические канавки треугольного профиля. Приборы обладают ма-
лой зависимостью чувствительности от отклонения (до 30°) пучка
излучения от нормали, малой зависимостью от уровня измеряемой
энергии и хорошей зонной характеристикой. Параметры приборов
приведены в табл. XIV.15. Приборы ТПИ-1-5, ТПИ-2-5, ИЭИ-1К-1М
предназначены для измерения энергии однократных импульсов
излучения ОКГ, работающих в режиме свободной генерации, а
также других источников одиночных импульсов; ТПП (модифика-
ций 5; 8; 10; 14) — для измерения мощности излучения ОКГ, ра-
ботающих в непрерывном режиме, а также непрерывных слабоме-
няющихся потоков других источников излучения.
Анализ погрешностей калориметров с плоскими приемными
площадками приведен в работах [173, 174].
3. Приемники с коническими коллекторами
Приемники ИМО-1, ИЭК-1, ИМО-2-2 [33, 36] для измерений малых
передних уровней лазерного излучения. Измерительная головка
калориметра содержит два’ медных конуса с термобатареей из
100 медь константановых термопар (рис. XIV.60) и калибровочными
нагревателями. Конусы закрыты тонкими сапфировыми окнами.
Измеряемая энергия от 10“2 до 10 Дж, мощность от 10“J до 10 Вт,
погрешность измерений ±15%. В ИЭК-1 [89] выравнивание зонной
характеристики достигнуто за счет размещения спаев термопар
с переменной плотностью [22] (максимальное количество термопар
у основания конуса) и увеличения теплового контакта между
калибровочными резисторами и конусами. Погрешность уменьшена
до 8%. Образцовый измеритель ИМО-2-2 предназначен для поверки
рабочих средств измерения в непрерывном и импульсном режимах при
длительности импульсов более 2 . 10~4 с. Пределы измерения 10—
1000 мВт, с ослабителем 1—100 Вт, диапазон длин волн 0,49—10,6 мкм,
диаметр пучка 4—10 мм, погрешность ± (2,5 + 0,05IF) для
№ < 1000 мВт.
Приемники КОД-6, КОД-10 для измерений средних и больших
мощностей лазерного излучения. В КОД-6 применены конусы диа-
метром 15 мм, длиной 250 мм, коэффициент поглощения около
0,98. В приборе пять пределов измерений энергии: 1; 3; 10; 30;
100 Дж. Погрешность измерений ±10% в диапазоне длин волн
0,4—4 мкм. В калориметре КОД-10 [64] также применены конические
полости (рис. XIV.61). Отличительными особенностями конструк-
ции являются размещение градуировочных нагревателей на внешней
поверхности конусов, отсутствие сапфировых окон, покрытие вну-
тренней полости конусов никелем для увеличения коэффициента
22’
675
поглощения в инфракрасном диапазоне, применение -термоба-
тарей с большим количеством (700—800) термопар. В головке ис-
пользованы две термоэлектрические термобатареи, холодные спаи
которых находятся в тепловом контакте с медным блоком большой
теплопроводности и теплоемкости. Как и ранее, использовано диф-
ференциальное включение батареи. Прибор обладает следующими
параметрами: пределы измерений энергии — 3; 10; 30; 100 и 300 Дж;
пределы измерений мощностей — 3; 10; 30; 100 и 300 Вт; диаметр
входного зрачка — 15 мм; погрешность измерений в диапазоне
длин волн 0,4—11 мкм — не более ±10%.
Рис. XIV.60. Схема измерительной головки калориметра ИМО-1:
1 — корпус; 2 — экраны; 3, 6 — приемные конические полости; 4, 5 — нагрева-
тели [33].
Рис. XIV.61. Схема измерительной головки калориметра КОД-10:
1,7 — медные конусы; 2, 6 — термопарные батареи; 3 — термо с та тирующее тело;
4, 5 — эталонные нагреватели [64].
Конусный калориметр увеличенных размеров описан в работе
[79]. Его конструкция приведена на рис. XIV.62. Конус изготовлен
из меди,внутренняя поверхность никелирована для повышения коэф-
фициента поглощения и уменьшения неравномерности распределе-
ния энергии. Масса конуса 158,5 г, диаметр основания 60 мм, тол-
щина стенки конуса к вершине увеличивается. Конус охвачен
четырьмя равномерно расположенными термобатареями, количест-
во спаев 3000, материал термопары медь—константан, сопротивле-
ние батареи 4,5 кОм. На конусе расположены четыре градуиро-
вочных нагревателя, их сопротивление при параллельном включе-
нии составляет 7,4 Ом. Нагрев конуса регистрируется относительно
медный пластин, имеющих ту же постоянную времени, что и конус;
постоянная времени прибора 88 с, чувствительность 1,31 мВ/Дж,
диапазон измерений 3—3000 Дж, спектральная область 0,4—2 мкм.
Суммарная рассчитанная погрешность измерений составляет ±5,2%.
Эталонный калориметр с конической полостью и теплоотво-
дящей трубкой, на которой вмонтированы термобатарея и эталон-
ный нагреватель [193], изображен на рис. XIV.63. Погрешность
измерения мощности в интервале 1 —10 Вт составляет 1%.
Приемник для регистрации импульсов малых энергий [б]. В нем
использован миниатюрный конус из медной фольги массой 0,1 г.
676
Конус и медь-константановая термопара помещены в вакуумную
колбу. Термопара закреплена в вершине конуса, ее сопротивление
4,3 Ом. Излучение направлено в конус короткофокусной линзой.
С гальванометром М-95 чувствительность прибора 0,8 мДж/дел.
Рис. XIV.62. Схема измерительной головки калоримет-
ра средних уровней энергии:
1 — медный корпусу 2 — нагреватель; 3 тепловой экран; 4
медная пластина; 5 — термобатарея [79].
Калориметр с 'конической и цилиндрической полостями разра-
ботан для измерений энергии лазерного излучения в интервале
0,01—20 Дж. Энергия определяется по температуре разогрева
приемного тела, измеряемой батареей из восьми термопар, разви-
Рис. XIV.63. Схема эталонного калориметра:
1 — термобатарея; 2 — эталонный нагреватель; 3 коническая полость;
4 — термостат [193].
Рис. XIV.64. Схема калориметра:
1 — калибровочный нагреватель; 2 — коллектор: 3 — штуцер для откач»
ки; 4 — корпус; 5 — кожух; 6 — термопары [188, 203].
вающих 600 мкВ/К [188, 203]. Градуировка осуществляется калиб-
ровочным нагревателем из манганина с сопротивлением 100 Ом.
Схема этого калориметра приведена на рис. XIV.64. На время
работы воздух из калориметра эвакуируется.
677
Калориметр с графитовой конической полостью [134]. Длина
конуса 13 мм, диаметр основания 10 мм, толщина стенки 0,6 мм.
Калибровочный нагреватель намотан на наружную поверхность ко-
нуса (нихром диаметром 0,05 мм с сопротивлением 30 Ом), измере-
ние температуры конуса производится термопарами. Погрешность
измерений оценена в 4%.
Варианты калориметрических приемников лазерного излуче-
ния с коническими коллекторами приведены в работах [30, 162,
190, 199, 201].
Анализ работы и погрешности калориметрических моделей с
коническими и плоскими приемными площадками приведены в рабо-
тах [174, 185].
4. Приемники со сферическим коллектором
Образцовые измерители ОИМ-1, ОИМ-1-1 для измерения малых
мощностей непрерывного лазерного излучения [33]. Коллектором
энергии служит тонкостенная медная сфера диаметром 20 мм с вход-
ным отверстием диаметром 9 мм и зеркальным обратным конусом
(рис. XIV.65) в области падения первичного пучка. Обратным ко-
нусом достигаются большая равномерность разогрева сферы *и вы-
сокий коэффициент поглощения. При чернении сферы рассчитанный
коэффициент поглощения равен 99,86% для длины волны 0,63 мкм
и 99,74% — для 4 мкм. Нагрев сферы регистрируется двумя коль-
цевыми термобатареями, каждая из которых содержит 22 равно-
окружности медь-константановые термо-
пары. Длина термопар 0,5 см, попереч-
ное сечение 1,75 • 10"4см2. Нагреватель
для градуировки прибора, вмонтирован-
ный на внешней поверхности сферы, из-
готовлен из манганинового провода диа-
метром 0,05 мм. Монтаж нагревателя
производится с учетом распределения
мощности по сфере при ее облучении.
Конструкция позволяет реализовать изо-
Рис. XIV.65. Схема приемного устрой-
ства ОИМ-1:
1 — нагреватель; 2 — термобатарея; 3 — термо-
стат ; 4 — обратный конус; 5 » медный сфери-
ческий коллектор [33].
мерно распределенные по
термический режим работы при использовании одной батареи тер-
мопар для измерения разности температур и другой -у в цепи
компенсации нагрева эффектом Пельтье. Прибор выполнен по диф-
ференциальной схеме, т. е. в нем содержатся два идентичных
сферических приемника. Термостатирование производится мас-
сивным медным блоком массой около 10 кг, в котором установлены
сферы с термобатареями. Блок теплоизолирован пенопластом. Сум-
марная погрешность прибора ±3,2% ±0,5 мкВт для луча диамет
ром 3—5 мм и ±2,4% ±0,5 мкВт для луча диаметром 5—8 мм,
постоянная времени 4,5 с. На основе ОИМ-1 создан образцовый
678
измеритель мощности излучения ОКГ первого разряда ОИМ-1-1
[21]. Зеркальный конус заменён поглощающим, и в него вмонти-
рован нагреватель для обеспечения идентичности тепловых условий
при градуировке.
Измерители импульсов энергии лазерного излучения миллисе-
кундной длительности ИВК-1 и ИЖК-1, регистрирующие энер-
гию в диапазоне 0,001—5 Дж при длительности импульсов от 2 X
X 10“8 с. Прибор ИВК-1 содержит полую медную сферу с диффуз-
ным отражением внутренней поверхности [33] и две радиальные
батареи термопар. Облучение внутренней поверхности сферы про-
изводится расходящимся пучком через короткофокусную кварце-
вую линзу. На поверхности сферы вмонтирован нагреватель,
которым градуируется прибор. Калориметром измеряется энергия
в диапазоне 0,001—3 Дж с погрешностью ±4% ± 2 • 10-5 Дж.
Диапазон 0,05—5 Дж перекрывается жидкостным калориметром
ИЖК-1 с погрешностью измерений ±7% ±1 • 10-2Дж.
Вакуумный калориметр со сферическим коллектором энергии
описан в работе [30]. Шар из меди снаружи серебрится, внутри чер-
Рис. XIV.66. Схема вакуумного калориметра со сферическим кол-
лектором:
1 —- шар; 2 — входное окно; 3 — стеклянные крючки; 4 термопара; 5 гет-
тер; 6 — колба [30].
Рис. XIV.67. Калориметр КИМ:
1 — сфера; 2 — калибровочный нагреватель; 3 — термобатарея; 4 & тепловой
мост; 5 — двойной термостат; 6 — сменные выходные окна [14, 104].
нится напылением в вакууме. Температура измеряется медь-кон-
стантановой термопарой (диаметр медной ветви 0,05, константано-
вой 0,08 мм). При диаметре шара 20 мм, диаметре входного отверстия
7 мм, толщине фольги 0,05 мм масса шара 0,6 г. В диапазоне 5 X
X 10-4— 1 Дж погрешность измерений достигает 20% . При диаметре
шара 30 мм, диаметре отверстия 3 мм, толщине стенки 0,5 мм масса
шара 8,5 г, чувствительность 3,5 • 10”3Дж. В диапазоне 3,5 X
X 10”3— 10 Дж погрешность измерений ±20%. Схема прибора при-
ведена на рис. XIV. 66.
679
Измерители КИМ, МКИ и КИ [14, 104] с калибровочными
полостями предназначены для измерения энергии излучения ОКГ
до 1000 Дж и непрерывной мощности до 10 Вт в спектральном' диа-
пазоне 0,3—11 мкм (КИМ) и 0,4—2,2 мкм (МКИ). В приборе КИМ
использован сферический коллектор (рис. XIV.67) с коэффициентом
поглощения 80== 0,996, в приборе МКИ (рис. XIV.68) —• проволоч-
ный цилиндр с диффузно рассеивающим отражателем. Нагрев ре-
гистрируется термобатареями. Сокращение времени между изме-
рениями достигается тепловым мостом (КИМ —3 с) и принудитель-
ным воздушным охлаждением (МКИ — 7 с). Диаметр входного
отверстия МКИ — 60 мм, КИМ — 20 мм. В калориметрах при-
менено двойное тёрмостатирование. Воспроизводимость измерений
±1,5%; зонная погрешность не превышает 1,5%. Нелинейность
в динамическом диапазоне не превышает 0,5%. Пределы измерения
энергии калориметром КИМ от 2 • 10“3 до 20 Дж, мощности от
5 • 10~4 до 10 Вт. Пределы измерения .
энергии калориметром МКИ от 1 до
1000 Дж. Суммарная относительная
погрешность оценена в ±(8—10%).
Приборы изготовляются ОКБ Физи-
ческого института АН СССР. В кало-
Рис. XIV.68. ’Калориметр МКИ:
1 — проволочный цилиндр; 2 —термобатарея;
3 — диффузно-рассеивающий отражатель;
4 — вентилятор; 5 — двойной термостат; 6 —
входное окно [14, 104].
риметре КИ с приемником в виде модели абсолютно черного тела
диапазон измеряемых энергий от 10“3 до 20 Дж, область спектра
от 0,25 до 3 мкм, погрешность абсолютных измерений 10%, макси-
мально допустимая плотность энергии 128 Дж/см2 при длитель-
ности 10“5 * * 8 с и 0,2 Дж/см2 при длительности 10~4 с; диаметр входного
окна 12—20 мм.
5. Приемники с комбинированными полостями
Средние и большие уровни импульсной энергии измеряются прием-
ным устройством, изготовленным из стопки (100 шт.) бритвенных
лезвий [115], плотно прижатых друг к другу. Такая клиновидная
система обладает высоким коэффициентом поглощения. Для улуч-
шения условий измерения используют две стопки лезвий и диффе-
ренциальную термопару, впаянную внутрь стопок. Чувствитель-
ность устройства 2 мВ/Дж, динамический диапазон от десятых до-
лей до нескольких сотен джоулей.
' Конструкция калориметра с комбинированными полостями опи-
сана в работах [172, 189]. Коллектор лазерного излучения цилиндри-
ческий с соосно вмонтированным конусом, направленным вершиной
к излучателю. Корпус калориметра разделен на две камеры: в одной
помещается коллектор, в другой — компенсирующий цилиндр.
Коллектор и цилиндр соединены дифференциальной термобатареей
из 16 термопар.
680
6.	Приемники
с жидким поглотителем энергии
Образцовый измеритель энергии одиночных импульсов О КГ [86].
Основной калориметр (рис. XIV.69) состоит из двух приемных
элементов с термобатареями из медь—константана. Поглощение
Рис. Х1У.69^Схема образцового измерителя энер-
гии одиночных импульсов ОКГ:
1 — светофильтр с ослаблением около 10 дБ; 2 — съем-
ное входное .окно; 3 — фотометрическая сфера; 4 — пере-
менная диафрагма; 5 — коаксиальный фотоэлемент типа
ФЭК; 6 — светофильтр из стекла КС-17; 7 —кювета а
поглощающим раствором; 8 — обмотки замещения; Р —
дифференциальная термобатарея; 10 — внешний калори-
метр; И — болометрическая обмотка; 12 — внутреннее
ядро пассивного термостата; 13 — диффузный отража-
тель; 14. — индикатор непопадания и измеритель отраже-
ния; 15 — болометрический мост с индикатором; 16— мик-
ровольтметр; 17 — система калибровки; 18 — теплоизоля-
ция; 19 — компенсационный калориметр; 20 — входное от-
верстие наружного калориметра; 21 — выходное отверс-
тие сферы; 22 — входное отверстие сферы [91].
происходит в кювете, одна стенка которой изготовлена из сапфира,
другая (отражающая) — из металла. Кювета наполнена раствором
CuSO4, поглощающим 99% излучения. Чувствительность прибора
100 мкВ/Дж. Кроме основного калориметра в приборе использо-
ваны: наружный калориметр для определения коэффициента пре-
образования основного калориметра или для регистрации полной
энергии, поглощенной в калориметре; устройство для определения
Коэффициента отражения приемного элемента и для определения
непопадания луча; регистрирующие устройства.
Более простой вариант калориметра с жидким поглотителем
приведен на рис. XIV.70. Лазерное излучение поглощается ячей-
кой, заполненной раствором C11SO4 или СиС12. Концентрация рас-
твора выбирается такой, чтобы на длине ячейки-6 мм происходило
поглощение 99,99% излучения. Задняя стенка ячейки серебряная,
681
передняя — из кварцевого стекла. К серебряной стенке вмонтиро-
вана термопара, регистрирующая нагрев ячейки. Диапазон изме-
ряемых энергий 0,01—30 Дж, максимальная плотность мощности
200 мВт/см2. Погрешность измерений калориметром около 2%.
Рис. XIV.70. Схема калориметра
для измерения энергии лазерного
излучения с жидким поглотителем:
1 — луч ОКГ; 2 — кварцевое окно; 3 —
теплоизолирующий корпус; 4 — алюми-
ниевый корпус; 5 — латунный корпус;
6 —- термопара; 7 теплоизолятор; 8 •—
поглощающая ячейка [152].
7.	Приемники с плоскими отражающими
поверхностями (проходные)
В калориметре две отражающие [178] пластины помещены в теп-
ловой резервуар; при их облучении лазерным потоком возрастание
температуры, пропорциональное мощности и энергии излучения,
определяется двумя термопарами медь—константан (рис. XIV. 71).
Пластины диаметром 3,81 см и толщиной 4,32 мм изготовлены из
монокристаллического алюминия, отражающими поверхностями
служат кристаллографические плоскости (100). Тепловой резервуар
изготовлен из алюминия (10х 15х
X 15 см, толщина стенок 2,5 см).
Прибором измеряются излучения
в диапазоне длин волн от 0,1 до
1 мкм при плотности измеряемой
энергии от 0,1 до 50 Дж/см2, мощ-
Рис. XIV.71. Калориметр с отра-
жающими поверхностями:
/ — термостат? 2 медь-константано-
вые термопары; 3 «=* отражающие плас-
тины [178].
ности 100—1000 мВт/см2. Рассчитанная погрешность измерений
±2%, время установления равномерной температуры в пластинах
после облучения 5 с, время остывания 2—4 мин. Калориметр по-
зволяет определить энергию составляющих поляризации, парал-
лельных* и перпендикулярных плоскости падения луча. Мощность
и энергия излучения определяются обычным калориметрическим
методом при известных температурах перегрева пластин и их тепло-
емкости. Наибольшие трудности возникают при определении отра-
жательной способности пластин. Она измеряется специальными ме-
тодами.
В качестве отражающих элементов [8] используются также
гонкие кремниевые диски диаметром 20 мм. Поверхности, полиро-
ванные по 14 классу, специально окислены для получения изоли-
682
рованных пленок толщиной 0,4—0,6 мкм. На одну поверхность
нанесен испарением в вакууме слой нихрома. Через нихромовую
пленку пропускается ток при калибровке методом замещения. К Дру-
гой поверхности приклеена ленточная хромель-конетантановая
батарея из 32 термопар. Два одинаковых элемента устанавливаются
в медном блоке. Чувствительность прибора 0,11 В/Вт.
«
8.	Многоэлементные приемники
Многоэлементные мозаичные приемники разработаны для иссле-
дования пространственного и спектрального распределений излу-
Рис. XIV.72. Схемы многоэлементных приемников излучения:
а — схемы ячеек мозаичных приемников; б — расположение ячеек моза-
ичных приемников; в — кольцевые и секторные приемники; г — линейный
приемник [25].
чения импульсных ОКГ [25]. Каждая ячейка мозаики содержит
приемную площадку с термопарой или батареей термопар (рис.
XIV. 72). При достаточно большой площади используются термо-
батареи из хромеля и копеля. Холодные концы монтируются на
медном цилиндре, который установлен на массивном металлическом
корпусе. При размерах приемной площадки менее 3 X 3 мм исполь-
зуется одна термопара. Ветви термопары крепятся на медных полу-
цилиндрических штырьках, расположенных в диэлектрической
плате. Штырьки необходимо размещать на площади, меньшей при-
емной площадки, во избежание их засветки измеряемым излуче-
нием. Кольцевые и секторные приемные площадки предназначены
для исследования энергетической расходимости излучения. Ли-
нейное расположение чувствительных элементов используется при
исследовании спектрального состава излучения.' При ширине при-
емной площадки менее 1 мм элементы монтируются на специальной
печатной плате. Параметры многоэлементных приемников приве-
дены в табл. XIV. 16. Разброс чувствительности мозаичных эле-
ментов не превосходит 25%. В КМТ-100/25 и КМТ-50/19 для вы-
равнивания чувствительности применяются тепловые шунты; раз-
брос чувствительности не превышает 4%. Приемники характери-
зуются коэффициентом заполнения, равным отношению общей пло-
щади мозаики к суммарной площади приемных площадок без учета
зазоров между ними. При близком расположении соседних приемных
683
Таблица XIV.16
Параметры многоэлементных приемников лазерного
излучения [25]
Тип приемника	Размеры, мм		Количество элемен- тов	Чувствительность одного элемента, В/Дж	Постоянная времени при остывании, с	Электрическое’ сопротивление, Ом 	*		Коэффициент запол- нения
	мозаики	одного элемента					
КТМ-10/25	10X10	1X1	25	0,9	0,9	3,5	0,3
КТМ-16/25	16X16	2x2	25	0,4	0,7	3,5	0,4
КТМ-100/25	100X100	17x17	25	0,046	5,0	82	0,7
КТМ-50/19	050	065	19	0,1	4,3	54,0	0,9
КТМЛ-22/30	8x22	0,5x8	30	0,8	0,8	6,5	0,7
площадок наблюдается теплообмен, влияющий на работу ячеек.
В рассмотренных приемниках этот фактор не превышает 3%. Па-
раметры многоэлементных приемников, разработанных во
ВНИИОФИ [34, 44], приведены в табл. XIV. 17.
9.	Быстродействующие пленочные приемники
При изготовлении малоинерционных,.приемников используют пле-
ночные термоэлементы, напыленные на подложки из материала
с большой теплопроводностью. Для достижения требуемого быстро-
действия пленки должны быть достаточно тонкими, но не настолько,
чтобы уменьшить их термоэлек-
трические характеристики из-за
влияния размерных эффектов [90,
Рис. XIV.73. Быстродействующий
пленочный серебряно-висмутовый
термоэлемент:
размеры подложки из ВеО (/) — 1 X 1
см; площадь области перекрытия вет-
вей (2) — 0,5 мм2; 3; 4 — электричес-
кие контакты [90].
109]	. По теории размерных эффектов зависимость термоЭДС пленок
от их толщины должна наблюдаться при толщинах меньше 100—
400 А. Для термопар медь—константан при толщинах около 1200 А
размерные зависимости еще не наблюдаются [130]. Не обнаружены
существенные изменения термоЭДС и в термопарах золото—никель
[200], серебро—висмут. Для термопар из пленок никеля, железа,
меди, константана, хромеля и алюмеля максимальная термоЭДС
684
Таблица XIV.17
Назначение и параметры многоэлементных приемников
излучения, разработанных во ВНИИОФИ [34, 44]
Особенности кон- струкции и параметры	МКТ-1* (МКТ-2)	ТПИ-9С	ИРЭ-100
	Для опреде- - ления отно- сительного распределения энергии в поперечном сечении пучка	Для определения распределения энергии одно- кратных импуль- сов по сечению пучка	Для автомати- ческого измерения и регистрации- распределения плотности энергии оптического кван- тового генератора в режиме свобод- ной генерации
Материал термопар Количество элемен- тов матрицы Спектральный диа- пазон, мкм Размер измеряемого пучка Допустимая нерав- номерность мощ- ности в пучке Допустимая плот- ность мощности, энергии Размер приемного элемента матри- цы, мм Пределы измерений Ч уветвитель ноеть, мВ/Дж Время установле- ния показаний,- мс Длительность реги- стрируемых им- пульсов, с Длительность цик- ла измерений, мс Основная погреш- ность, % Габаритные разме- ры измерительной головки, мм Масса, кг	Полупровод- ники 100 (ЮО) 0,5—11 (0,4—15) 2300 мм2 (30x30 мм) 102 50 кВт/см? 5x5 (2,8X2,8) 0,05—5 Дж/см2 20 50 lO-7—10-з (10-6—5- IO"3) 5 20 (5) 350X350X150 15	Хромель— копель 5 0,5—11 075 мм 105 Вт/см2 016, 032/16, 048/32, 064/48, 080/64 0,5—50 Дж 0,1 5 • Ю~6—10-1 15 115x115x70 3	100 0,69—11 120x120 мм 5 Вт/см2 15-720 Дж 20
* В скобках приведены значения для прибора МКТ-2,
685
00
X
сз
s
ч
\o
сЗ
н
достигается при толщинах 2500 А
[168].
Приемник из пленок серебра
и висмута [132]. Внешний вид
термоэлемента приведен на рис.
XIV. 73. На подложку из ВеО
напылена серебряная пленка тол-
щиной 1000 А и сверху — висму-
товая пленка такой же толщины.
Сопротивление термопары 500—
1000 Ом. Постоянная времени —
около 1,5 • 10“7с. Такие термо-
элементы выдерживают импульсы
излучения с пиковой мощностью
до 10 кВт [90]. Приемники ис-
пользовались для исследования
лазеров на СО2. Такие приемники
просты в изготовлении и согласу-
ются с интегральными схемами.
Приемник из пленок медь—
константан [130] с постоянной
времени 10“?с разработан для ре-
гистрации импульсов неодимового
лазера мощностью меньше 112
Вт/см2.
Тонкопленочная термопара
изготовлена напылением на тонко-
заостренную кварцевую нить. На
ее основе разработан приемник
для измерений в субмикросекунд-
ном диапазоне. Термоэлектриче-
ские материалы разделены изоли-
рующим слоем. На острие нити
перекрытие пленок шириной 2 мкм
образует термоспай. Сведения о
быстродействующих пленочных
термопарах приведены в табл.
XIV. 18.
Пленочная линейная цепочка
(8 секций) из напыленных алюми-
ния и палладия [122] разработана
для нахождения пространствен-
ного распределения фокусирован-
ных лазерных пучково. Толщина
пленок около 2000 А, ширина
перекрытия термоэлектрических
материалов 10 мкм. Сопротивле-
ние приемника 10 Ом, постоянная
времени 2 мкс.
Быстродействующие напылен-
ные приемники с постоянной вре-
мени 10“6с описаны также в ра-
боте [130].
686
10.	Приемники с проточной жидкостью
Для измерения больших лазерных энергий и мощностей исполь-
зуются приемники с отводов тепла проточной жидкостью.
Калориметр с проточной жидкостью ОПК-1 [33]. Измерение
мощности производится в диапазоне 0,1 —100 Вт; в спектральном
диапазоне 0,4—1,1 мкм погрешность измерений 5—10%, в длинно-
волновом участке спектра погрешность больше. Схема калоримет-
ра приведена на рис. XIV. 74. Прибор разработан во ВНИИФТРИ.
Приемники, разработанные в ЛЭТИ [72]. Приемная площад-
ка изготовлена из меди толщиной 3 мм и диаметром 30 мм. При об-
Рис. XIV.74. Схема проточного калориметра ОПК-1:
1	приемная головка; 2 — эталонный нагреватель; 3 — термобатарея; 4 — сис-
тема переноса жидкости; 5 — охладитель жидкости; б — воздушные демпферы;
7 —насос; 8 —> интегратор теплового потока; 9, 10, 11 —устройства для изме-
рения и калибровки [33].
Рис. XIV.75. Термоэлектрический приемник ЛЭТИ для измерения
больших импульсов:
1	— приемная площадка; 2 — термобатарея; 3 термостабилизированный блок;
4	«- тепловой сток; 5 — жидкостное термостатирование; 6 корпус [72].
лучении измеряется перепад температуры между облучаемой и тыль-
ной поверхностями приемника. Разность температур измеряется
константановыми проводниками, вмонтированными на поверхнос-
тях, которые вместе с площадкой образуют термопару медь—кон-
стантан. В другом варианте прибора измеряется разность темпера-
тур между вводимой и выводимой из прибора водой. Постоянная
времени прибора 2,5 с, чувствительность 0,84 • 10~6В/Вт, погреш-
ность измерений ±7%. Для регистрации импульсов большой мощ-
ности разработан приемник с тепловыми стоками между приемной
площадкой и термостатированным блоком (рис. XIV. 75). Коэф-
фициент поглощения г0== 0,8 в интервале 1 —14 мкм, максималь-
ная измеряемая плотность энергии 50 Дж/см2 при длительности
импульса 10“3с, чувствительность прибора 10"хВ/Дж$ постоян-
ная времени 60 с. Погрешность измерений ± 10% . Приемники с теп-
ловыми стоками описаны также в работе [71].
Дифференциальный приемник для измерения больших мощностей
[26, 72]. Применены две идентичные приемные площадки из меди
диаметром 50 мм и толщиной 2,5 мм, омываемые проточной жид-
костью. Между площадками установлена термобатарея из 20 тер-
мопар хромель—копель диаметром 100 мкм с сопротивлением
50 Ом. В рабочую площадку вмонтирован калибровочный нагре-
ватель. Чувствительность прибора 0,02 мВ/(Вт*см2) при расходе
687
воды 20 см3/с. Время выхода в режим 7 с. Измеряемый диапазон
мощностей 1—1000 Вт.
Проточный калориметр для измерений в интервале длин
волн 0,4—12 мкм [32] имеет девять пределов, которыми перекры-
вается динамический диапазон 0,75—300 Вт. Два дополнительных'
предела — 750 и 1500 Вт — достигаются при работе с аттенюато-
ром. В калориметре использованы два коллектора энергии — ко-
нус из оксидированного алюминия (угол при вершине 56°), ячейка,
содержащая входное окно из плавленого кварца, поглощающая
пластинка из стекла марки НС и слой воды между ними (0,2 см).
На конусе в канавках, нарезанных с наружной стороны, уложена
обмотка замещения. Поглощающая пластинка и обмотка замеще-
ния омываются потоком теплоносителя. Батарея термопар явля-
ется датчиком разности температур между входом и выходом при-
емников излучения. В приборе использованы батареи из 100 термо,
пар медь—константан. Вода прокачивается со скоростью 20 см3/с.
Погрешность измерений не превышает ±10%.
Проточный калориметр со сферической приемной поверхностью
|159]. В сферу вмонтирован электрический калибрующий нагре-
ватель и навита трубка, по которой пропускается теплоотводящее
вещество. Интервал измерений мощности 1 Вт — 1 кВт, погреш-
ность измерений около 3%.
Анализ работы калориметров с жидкостным теплообменником
приводится также в работе [173].
11.	Приемники с компенсацией разогрева коллектора
Эталонный приемник лазерного излучения [181, 182]. Схема при-
бора приведена на рис. XIV. 76. В нем применены две системы ре-
гистрации излучения — пленочной термобатареей в термостати-
рованном корпусе и компенсацией .тепловыделения эффектом Пель-
тье. Приемная площадка изготовлена из черненого алюминия, в
нее вмонтирован калибровочный резистор; температура площадки
измеряется пленочной звездообразной термобатареей, изготовлен-
ной из напыленных на слюду элементов из В1 и Sb.' Батарея вмон-
тирована в коническую полость, температура которой статируется
охлаждающими термоэлементами. Они изготовлены из Bi2Te3 —
два термоэлемента используются для охлаждения, один — для
управления контролем адиабатичности. Такая конструкция по-
зволяет уменьшить влияние теплообмена и повысить точность из-
мерений. При измерении непрерывной оптической мощности в ин-
тервале 1—50 мВт при длине волны 6325 А погрешность измерений
не превышает 0,5%.
Измеритель малых мощностей [4, 5]. В нем, в отличие от
ОИМ-1, в месте падения первичного пучка вместо обратного конуса
вмонтирован отражатель специальной формы, равномерно рассеива-
ющий падающее излучение на внутреннюю поверхность сферы.
При диаметре сферы 20 мм и диаметре входного зрачка 3,5 мм коэф-
фициент поглощения сферы в интервале длин волн 0,5—25 мкм не
меньше 0,996. В измерителе использованы полупроводниковые
термобатареи из CdSb, состоящие из модулей с четырьмя ветвями —
двумя n-типа и двумя p-типа. Одной парой производится регистра-
ция разности температур, другой — компенсация эффектом Пель-
тье. Модули (25—40 шт.) равномерно вмонтированы на поверхности
688
сферы и включены последовательно. Размеры термоэлементов
2 X 0,5 X 0,5 мм, термоЭДС пары 700—1000 мкВ/K. Минимальный
обнаруживаемый сигнал 0,3 мкВт.
В работе [101] рассмотрены пути модернизации автоматических
калориметров с охлаждающими термоэлементами. Основные из
них — замена охлаждающих термоэлементов серийно’ выпускаемы-
ми микробатареями, замена металлических термопар полупровод-
никовыми, совершенствование измерительных и калибровочных
цепей. Предполагается, что таким путем общая погрешность может
быть уменьшена до 2—-2,5%.
Рис. XIV.76. Схема эталонного микрокалориметра лазерного
излучения с полупроводниковым термостатом:
1 — алюминиевый диск — приемник излучения; 2 — термостатированный
корпус; 3 — пленочная термобатарея; 4 — калибрующий резистор; 5 —.
выводы термобатареи и резистора; 6 — термопара; 7 — термостатирую-
щая полупроводниковая батарея; 8 — массивный изотермический кожух;
9-— усилитель постоянного тока [182]. ,
ЛИТЕРАТУРА
1. Агеев Ю. М., Рудаков Д. Д., Арабянц 3. А. А. с. 4375^7 (СССР). Датчик
плотности полусферического излучения. — Опубл. 30.12.74.
2. Агрегатный комплекс стационарных пирометрических преобразователей
и пирометров излучения АПИР-С (1 очередь): Проспект НПО «Термопри-
бор». — [Б. м.; Б. и., Б. г.] —39 с.
8. Алексеев Н. И., Шестопалов Л. М. Оптический зеркальный калориметр. —-
ПТЭ, 1968, № 1, с. 170-171.
4. Анатычук Л. И., Богомолов П. А.,- Купчинский О. И. и' др. Анизотропный
радиационный термоэлемент. — Опт.-мех. пром-сть, 1971, № 1, с. 27—29.
б. Анатычук Л. И., Разинъков В. В. Абсолютный приемник излучения с тер-
момагнитным преобразователем. — В кн.: 1-я Всесоюз. науч.-техн. конф.
«Фотометр, измерения и их метрол. обеспечение.» 28 янв. — 1 февр. 1974 г.:
Тез. докл. М., 1974, с. 94.
6. Балаков В. В., Волосов В. Д., Нилов Е. В., Шестерикова А. А. Об изме-
рении ^энергии световых импульсов. — Опт.-мех. пром-сть, 1966, №9,
7. Блох А. Г. Основы теплообмена излучением. — Мл Л.: Го с энерго из дат,
1962. — 331 с.
8.	Валитов Р. А., Калинин Ю. А. Широкодиапазонный калориметрический
измеритель средней мощности ОКГ проходного типа. — В кн.: Науч.-тех.
семинар «Метрология в радиоэлектрон.»; Тез. докл. М.л 1970, с. 101—106.
689
9.	Васильев Б. В. Пленочные радиационные термоэлементы с подложкой из
оксидной пленки на алюминии. — Изв. ЛЭТИ, 1974, вып. 142, с. 8—11.
10.	Васильев Б. В. Особенности конструирования малоинерционного вакуум-
ного радиационного термоэлемента с выделенной приемной площадью. —
Изв. ЛЭТИ, 1974, вып. 142, с. 12—16.
11.	Васильев Б. В. Расчет чувствительности и инерционности газонаполненного
радиационного термоэлемента с выделенной приемной площадью. — Изв.
вузов. Приборостроение, 1975, 18, № 9, с. 113—117.
12.	Васильев А. М., Грязнова Ж. Е., Костаненко А. Л. и др. Кремниевый
термоэлектрический приемник излучения. — Тр. Моск, энергет. ин-та, 1975,
вып. 222, с. 102—105.
13.	Васильев Б. В., Парамонов А. И. Низкотемпературный узкоугольный пиро-
метр с оптическим визированием и зеркальной оптикой. — Изв. ЛЭТИ,
1974, вып. 142, с. 25—27.
14.	Васин Б. Л., Шишкина Л. И. Калориметрические измерители энергии и
мощности лазерного излучения КИМ и МКИ. — Импульсн. фотометрия,
1975, вып. 4, с. 44—45.
15.	Геращенко О. А. Основы теплометрии. — Киев: Наук, думка, 1971. — 191 с.
16.	Геращенко О. А., Карпенко В. Г., Лазовский Ф. Л. и др. Новые приборы для
йсследования свойств теплового излучения. — В кн.: Материалы III Все-
союз. совещ. по лучистому теплообмену: Тез. докл. Краснодар, 1975,
с. 107—116.
17.	Геращенко О. А., Сажина С. А. Абсолютный двухсторонний приемник
лучистой энергии РАП-П: Проспект ИТТФ АН УССР. — Киев: Реклама,
1977. — 4 с.
18.	Геращенко О. А., Федоров В. Г. Тепловые и температурные измерения. *—
Киев.: Наук, думка, 1965. — 304 с.
19.	Геращенко О. А., Сажина С. А., Паниашвили М. С. Абсолютный двухсто-
ронний приемник для измерения теплового излучения. — Теплофизика и
теплотехника, 1973, вып. 25, с. 52—55.
20.	Геращенко О. A.f Сажина С. А. Прибор для измерения интегральных лу-
чистых тепловых потоков РПП-1-04: Проспект ИТТФ АН УССР. — Киев:
Реклама, 1977. — 2 с.
21.	Говор И. Н., Кубарев А. В., Обухов А. С. Образцовый измеритель мощ-
ности излучения ОКП-го разряда. — Измер. техника, 1974, №7, с.’50—52.
22.	Говорун Е. Зинченко Н. И., Кузьмичев В. М. Распределение поглощенной
энергии в конусных нагрузках оптических калориметров. — Радиотехника,
1971, вып. 19, с. 144—147.
23.	Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации
ЦНИИТЭИприборостроения: — М., 1975. — Т. 2. Каталог. — Вып. 1, 95 с.
24.	Грунин В. К., Мезенов А. В., Пономарева Н. В. Дисковые термоэлектри-
ческие приемники для измерения излучения ОКГ. — Импульс, фотометрия,
1975, вып. 4, с. 47—50.
25.	Грунин В. К-, Мезенов А. В., Пономарева Н. В. Многоэлементные термо-
электрические приемники для исследования пространственной и спект-
ральной структуры излучения импульсных ОКГ. Импульс, фотометрия,
1975, вып. 4, с. 50—53.
26.	Гульков В. Н. Термоэлектрический измеритель лучистой мощности. —
Изв. ЛЭТИ, 1974, вып. 142, с. 21—25.
27.	Гульков В. Н., Созина Н. Н., ТрошковБ. И. Расчет влияния температуры
окружающей среды и величины облученности на чувствительность газо-
наполненного радиационного термоэлемента. —Изв. вузов. Приборострое-
ние, 1976, 19, № 9, с. 119—123.
28.	Дьяченко В. Е., Мальнев А. Ф. Теория нестационарных процессов в термо-
элементе. — ЖТФ, 1947, 17, № 7, с. 855—870.
29.	Зельцер М. С. Получение термоэлементов для приема лучистой энергии
путем испарения. — ЖТФ, 1938, 8, № 10, с. 920—923.
30.	Зуев В. С., Крюков П. Г. Калориметр для измерения энергии излучения
оптического квантового генератора. — ПТЭ, 1963, № 3, с. 188—189.
31.	Ивасаки Тосикацу, Адзухата Нобуо. Разработка термопарных ИК-прием-
ников. — Хитати Хёрон 1962, 44, № 12, с. 2046—2050.
32.	Ивлев Е. И., Кубарев А. В., Либин Ю. В., Назаровский О. А. Измери-
тель с проточной жидкостью для измерения средней мощности излучения
ОКГ. — Импульс, фотометрия, 1975, вып. 4, с. 40—43.
33.	Измерение характеристик оптических квантовых генераторов/ Р. А. Валитов,>
Н. Г. Кокодий, А. В. Кубарев и др. — М.: Изд-во стандартов, 1969. —.
184 с.
34.	Измеритель распределения энергии ИРЭ-100; Проспект ВДНХ. —Мл
ВНИИОФИ, 1977. —1 с.
35.	Калитин И. И. Актинометрия. Л.; М.; Гидрометеоиздат# 1938.
324 с.
690
36.	Калориметрический измеритель мощности и энергии излучения оптических
квантовых генераторов ИМО-1. — Тр. метрол. ин-тов СССР, 1971. — Вып.
90, с. 23-26.
37.	Карпенко В. Г., Паниашвили М. С. Абсолютный термоэлектрический ак-
тинометр. — Вопр. техн, теплофизики, 1973, вып. 4, с. 76—79.
38.	Карпенко В. Г., Горшунова Н. Н. Малоинерционный термоэлектрический
детектор излучения. — Теплофизика и теплотехника, 1974, вып. 28,
с. 92—95.
39.	Карташевская В. Е. Опытное определение светового эквивалента лучистой
мощности. — Тр. ин-тов Ком. стандартов, 1961, вып. 56, с. 36—46.
40.	Карташевская В. Е. Об одном способе измерения лучистой мощности
в пучке малого сечения. — Тр. ин-тов Ком. стандартов, 1961, вып. 56,
с. 47-58.
41.	Карташевская В. Е., Литвинова Л. Ф. Новые термостолбики с большой
приемной площадкой. — Тр. метрол. ин-тов СССР, 1970, вып. 114, с. 116—
123.
42.	Карташевская В. Е., Кушпилъ В. И., Печковская В. А. Международные
сличения измерений энергетической освещенности. — Импульс, фотометрия,
1973, вып. 3, с. 9—14.
43.	Карташевская В. Е., Литвинова Л. Ф. Абсолютные термоэлектрические
приемники лучистой мощности. — Тр. ГГО, 1973, вып. 295, с. 160—171.
44.	Каталог". Оптико-электронные устройства и измерительно-информационные
системы. — М.: ВНИИОФИ, 1974, с. 9.4, 9.7, 9.9г-9.10, 9.14.
45.	Кедроливанский В. Н., Стернзат М.С. Метеорологические приборы.—Л.:
Гидрометеоиздат, 1953. — 544 с.
46.	Козелкин В. B.t Усольцев И. Ф. Основы инфракрасной техники. — М.:
Машиностроение, 1974. —335 с.
47.	Козырев Б. П. Расчет и выбор параметров односпайного вакуумного ради-
ационного термоэлемента с выделенной приемной площадью. — Изв.
ЛЭТИ, 1956, вып. 30, с. 37—64.
48.	Козырев Б. П. Вакуумные радиационные термоэлементы. — Изв. ЛЭТИ,
1960, вып. 44, с. 3—21.
49.	Козырев Б. П. Основы расчета и конструирования радиационного термо-
элемента. — Изв. ЛЭТИ, 1960, вып. 44, с. 22—39.
50.	Козырев Б. П. Низкотемпературный компенсированный радиационный тер-
моэлемент. — Изв. ЛЭТИ, 1960, вып. 44, с. 40—58.
51.	Козырев Б. П., Парамонов А. И. Узкоугольный термоэлектрический радио-
метр ИКТЭРЛ-3..— Изв. ЛЭТИ, 1972, вып. 126, с. 15—18.
52.	Козырев Б. П. Сравнение эффективности радиационного термоэлемента
и болометра. — Изв. ЛЭТИ, 1966, вып. 55, с. 3—16.
53.	Козырев Б. П. Многоспайный радиационный термоэлемент с общей нерас-
пределенной приемной площадью. — Изв. ЛЭТИ, 1966, вып. 55, с.. 59—71.
54.	Козырев Б. П. Зависимость чувствительности радиационного термоэле-
мента от окружающей температуры и от избыточной температуры прием-
ной поверхности. — Изв. ЛЭТИ, 1966, вГып. 55, с. 190—198.
55.	Козырев Б. П. А. с. 183432 (СССР). Радиационный компенсированный тер-
моэлемент. — Опубл. 15.08.66.
56.	Козырев Б. П. Термоэлектрический фитопиранометр с полусферическими
фильтрами из стекла БС-8 и КС-19. — Изв. ЛЭТИ, 1967, вып. 66, с. 37—39.х
57.	Козырев Б. П. Конструктивные принципы новых актинометрических при-
боров. — Изв. ЛЭТИ, 1967, вып. 66, с. 59—68.
58.	Козырев Б. П. Теория газонаполненного многоспайного радиационного
термоэлемента с нераспределенной приемной площадью. — Изв. ЛЭТИ,
1968, вып. 72, с. 3—7.
59.	Козырев Б. П. Сопоставление эффективности различных методов конст-
руирования многоспайных радиационных термоэлементов с нераспреде-
ленной приемной площадью. — Изв. ЛЭТИ, 1968, вып. 72, с. 8—18.
60.	Козыоев Б. П. Высокочувствительный термоэлектрический пиранометр
с черной приемной поверхностью и с ксеноновым наполнением.—Изв. ЛЭТИ,
1968, вып. 72, с. 24—37.
61.	Козырев Б. П. Эталонный приемник для абсолютных измерений радиации
в оптическом диапазоне волн. — Изв. ЛЭТИ, 1968, вып. 72, с. 81—93.
62.	Козырев Б. П. А.с. 212574 (СССР). Радиационный балансомер. — Опубл.
30.04.68.
63.	Козырев Б. П. Инфракрасный термоэлектрический радиометр для некон-
тактных измерений температуры поверхностей объектов. — Опт.-мех.
пром-сть, 1969, № 11, с. 21—25."
64.	. Кокодий Н. Г., Кузмичев В. М., Зинченко И. И., Валитов Р. А. Кало-
риметрический измеритель импульсной энергии и мощности ОКГ средних
и больших уровней. — Импульс, фотометрия, 1969t вып. 1, с. 37—48.
691
65.	Козырев Б. П. Конвекционно-радиационный пирометр для неконтактных
измерений поверхностных температур объектов. —Изв. ЛЭТИ, 1970,
вып. 94, с. 15—17.	—
66.	Козырев Б. П., Парамонов А. И. Инфракрасный термоэлектрический
радиометр ИКТЭРЛ и его применение. — Изв. ЛЭТИ, 1970, вып. 94,
с. 13—14.
67.	Козырев Б. П., Гульков Б. Н. Высокочувствительный радиометр для био-
логических объектов. — Изв. ЛЭТИ, 1970, вып. 94, с. 10—12.
68.	Козырев Б. П. Термоэлектрические фитопиранометры для абсолютных из-
мерений фотосинтетически активной радиации (ФАР).— Физиология рас-
тений, 1970, 17, вып. 4, с. 861—870.
69.	Козырев Б. П. Работы ЛЭТИ по тепловым приемникам излучения для
актинометрии и радиометрии. — В кн.: Тепловые приемники излучения.
Л., 1971, с. 3—11.
70.	Козырев Б. П., Бученков В. А. Термоэлектрический и болометрический
калориметры с плоским графитовым приемником для измерения излуче-
ния ОКГ. — Импульс, фотометрия, 1972, вып. 2, с. 49—53.
71.	Козырев Б. n.f Пономарева Н. В. Конструкция и параметры термоэлектри-
ческого приемника излучения с искусственным <;током тепла. — Изв. ЛЭТИ?
1972, вып. 126, с. 75—77.
72.	Козырев Б. П., Гульков В. Н. Термоэлектрические приемники для мощ-
ного лазерного излучения. —Изв. ЛЭТИ, 1972, вып. 126, с. 10—14.
73.	Козырев Б. П., Мезенов А. В. Основные соотношения для^расчета плос-
костных термоэлектрических приемникдв мощного лазерного излучения. —
Изв. ЛЭТИ, 1972, вып. 126, с. 3—10.
74.	Козырев Б. П., Мезенов А. В. Номограммы для расчета термоэлектричес-
ких приемников мощного импульсного излучения ОКГ. — Изв. ЛЭТИ,
1974, вып. 142, с. 16—21.
75.	Кокорев Д. Т. Компенсационный радиометр. — Тр. МИХМ,- 1958, вып. 15,
№1, с. 81—92.
76.	Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники.— М.5
Сов. радио, 1978.— 400с.
77.	Кременчугский Л. С. Сравнение тепловых приемников излучения и методы
измерения их основных параметров. — В кн.: Тепловые приемники излу-
чения. Киев, 1967, с. 3—20.
78.	Круз П., Макглоулин Л., Макквистан Р. Основы инфракрасной техники. —
М.: Воениздат, 1964. — 463 с.
79.	Кузмичев В. М., Зинченко Н. И. Исследование конусного калориметра
для измерения энергии импульсных оптических квантовых генераторов. —
Импульс, фотометрия, 1973, вып. 3,- с. 41—46.
80.	Купчинский О. И., Богомолов П. А. Радиационные компенсированные ва-
куумные термоэлементы ТК-3 X 1,5, ТК-1 X 1,5 и ТКС-3 X 1,5. — Опт.-мех.
пром-сть,^ 1960, № 9, с. 24—25.
81.	Капчинский О. И., Богомолов П. A.f Заболотский И. П., Есаулов Н. П.
Полупроводниковые и напыленные вакуумные термоэлементы и термо-
столбики для спектральных измерений. — Опт.-мех. пром-сть,- 1961,- № 8,
с. 27.
82.	Левин Ю. 3., Маслов В. А. Исследование спектральной чувствительности
тепловых приемников излучения. — В кн>: Тепловые приемники излучения,
Л.# 1971,- с. 67—70.
83.	Левин Ю. 3., Маслов В. А.,- Тарасова М, А. Некоторые свойства золотой
' черни. — В кн.: Тепловые приемники излучения. Л.,- 1971,- с. 79—82.
84.	ЛеженинФ.Ф., Карпенко В. Г. Измеритель температуры'Электрических
контактов и кабелей БИТ-8: Проспект ИТТФ АН УССР. — Киев: Реклама,-
1977. — 2 с.
85.	Лошакова В, В., Пономарева Н. В. Малоинерционные термоэлектрические
приемники излучения с большой приемной площадью. — Изв. ЛЭТИ#
1974, вып. 142, с. 27—30.
86.	Марков М. Н. Приемники инфракрасного излучения. — М.: Наука, 1968. —*
168 с..
87.	Маслов В, А. Неселективный термоэлектрический приемник излучения. —•
В кн.: Тепловые приемники излучения. Л.,- 19{1, с. 63—66.
88.	Маслов В. А. Исправление спектральной характеристики приемника зер-
кальной^ полусферой. — В кн.: Тепловые приемники излучения. Л., 1971,
89.	Нестеренко В. М. Измеритель энергии миллисекундных импульсов ОКГ
типа ИЭК-1 и методы определения погрешности измерений. — Импульс,
фотометрия, 1969, вып. 1, с. 29—36.
90.	Новые термопары. — Электроника,- 1970, № 2, с. 49.
91.	Обухов А. С., Руссов В. М. Образцовый измеритель энергии одиночных
импульсов ОКГ. — Измер. техника, 1970, № 8. с. 34—37.
692
92.	Паниашвили М. С., Геращенко О. А., Карпенко В. Г. Исследование зональ-
ной чувствительности батарейных термоэлектрических датчиков. — Теп-
лофизика и теплотехника, 1973, вып. 25, с. 28—30.
93.	Перрен де Бришамбо Ш. Солнечное излучение и радиационный обмен в ат-
мосфере. — М.: Мир# 1966. —319 с.
94.	Пикашов В. С., Бринов А. Е., Геращенко О. А. Радиационные пирометры
о диафрагменной оптикой без конденсирующих устройств для контроля
параметров переноса энергии излучением. — В кн.: Лучистый теплообмен.
Калининград, 1974, с. 134—147.
95.	Пилат И. М., Ветошников В. С., Хохлачев К. И. Термоэлектрический
приемник излучения на анизотропных термоэлементах. — В кн.: Тепловые
приемники излучения. Л.,- 1974,- с. 2—7.
96.	Полупроводниковые приемники и преобразователи излучения. — М.: Мир,
1965. — 121 с.
97.	Преобразователь измерительный первичный калориметрический ТПИ-2-5-
Проспект ВДНХ. — М.: ВНИИОФИ, 1977. — 1 с.
98.	Радиационный компенсированный термоэлемент типа РТН-2У^ Проспект
ВДНХ. М.: Изд-во стандартов, 1974. —2 с.
99.	Рибо Г. Оптическая пирометрия. — М.; Л.: Гостехиздат, 1934. —455 с.
100.	Семикин И. Д., Костогрызов В. С., Цыганков О. Л. Новый прибор для из-
мерения тепловых потоков излучения. — Автоматика и приборостроение #
1961, № 2, с. 89—90.
101.	Сенько А. П. О модернизации калориметрических измерителей мощности
с охлаждаемыми термоэлементами. — Укр. науч.-техн. конф., посвящ.
50-летию метрол. службы УССР: Тез. докл. Харьков, 1972, с. 159.
102.	Смит Р., Джонс Ф., Чесмер Р. Обнаружение и измерение инфракрасного
излучения. — М.: Изд-во иностр, лит.,- 1959. —448 с.
103.	Спэрроу Э. М., Сесс Р. Д. Теплообмен излучением. — Л.: Энергия, 1971. —
294 с.
104.	Твердохлебов 'Е. Н. Калориметрические измерители энергии и мощности
излучения МКИ-1,- КИМ-1, КИ. — ПТЭ, 1974, № 3# с. 247.
105.	Телескопы пирометров суммарного излучения ГСП. ГОСТ 6923—74.
106.	Телескопы радиационных пирометров ТЕРА-50. — М.: Внешторгиздат.
1970. — 24 с. — (Заказ № 3461).
107.	Тиходеев П. М. Световые измерения в светотехнике. — М.* Л.: Госэнерго-
издат# 1962. — 464 с.
108.	Хирд Г. Измерение лазерных параметров. — М.: Мир, 1970. — 539 о.
109.	Хребтов И. А. Быстродействующие термоэлементы и болометры. — Опт.-
мех. пром-сть# 1974, № И,, с. 55—64.
НО. Черпаков П. В. О тепловой инерции термоэлементов. — ИФЖ# 1962# 5, № 9,
с. 94—98.
111.	Шевченко К. М., Минаковский В. М., Царенко Щ В. Датчик лучистой
энергии. — Изв. вузов. Приборостроение, 1972, 15, №6, с. 119—121.
112.	Шоль Ж., Марфан И., Мюнш. М. и др. Приемники инфракрасного излуче-
ния. — М.: Мир, 1969. — 283 с.
113.	Якашвили Д. В., Колесников В. П., Вигдорович В. НУхлинов Г. А.
Пленочные висмут-сурьмяные термобатареи для радиационной пиромет-
рии. — ПТЭ, 1976, № 6, с. 207—208.
114.	Днишевский Ю. Д- Актинометрические приборы и методы наблюдения. —
Л.: Гидрометеоиздат; 1957. —415 с.
115.	Ackerman J. A. Laser energy measuring device.— Appl. Opt.# 1964, 3,
N 5, p. 644—645.
116.	Adhav R. S., Ktmp J. G. Infra-red radiometer. — J. Sci. Instrum., 1963,
40, N 1, p. 26—27.
117.	Ando E. Infrared transmission through gold black deposits. — Jap. J. Appl.
Phys.,- 1972, 11, N 7, p. 986—991.
118.	Ando E. Radiation thermocouples with (Bi, Sb)a (Те, Se)3. — Jap. J. Appl.
Phys., 1974, 13, N 5, p. 863—869.
119.	Astheimer R. IT., Weiner S. Solid-backed evaporated thermopile radiation
detectors. — Appl. Opt., 1964, 3, N 4, p. 493—500.
120.	Austin L. W. Thermoelemente fur Versuche mit Hochfrequenzstromen. —
Phys. Z., 1911, 12, N 26, S. 1226-1227.
121.	Bar-Isaac C. Thermoelectric temperature measurements in laser pulsed hea-
ting of metals. —Appl. Phys., 1974, 5, N 4, p. 285—290.
122.	Bar-Isaac C.t Korn U. Thermoelectric line array for spatial specification
of focused laser beams. — Appl. Phys., 1975, 6, N 2, p. 173—175.
123.	Bessonneau C., Lebrun J. Thermopiles en couches minces. —Onde elec.#
1973, 53, N 4, p. 145—149.
124.	Betts D. B. The spectral response of radiation thermopiles. « J. Sci. In-
strum.# 1965, 42, N 4, p. 243—247.
693
125.	Birnbaum G.f Birnbaum M. Measurement of laser energy and power. —
Proc. IEEE, 1967. 55, N 6, p. 1026—1031.
126.	Brown D. A. H., Chasmar R. P., Fellgett P. B. The construction of radia-
tion thermocouples using semiconducting thermoelectric materials. — J. Sci.
Instrum., 1953, .30, N 6, p. 195—199.
127.	Cartwight С. H. Uber die Empfindlichkeit von Thermosaulen Mikroradiometern,
Radiometern und Bolometern. — Z. Phys., 1934, 92, N 1/2,- S. 153—171.
128.	Cary H., Gearge K. P. A sensitive high speed radiation thermocouple. —
Phys. Rev., 1947, 71, N 4, p. 276—277
129.	Chase S. C. Infrared radiometer for the 1969 Mariner mission to Mars. —
Appl. Opt., 1969, 8, N 3, p. 639—643.
130.	Chopra K. L., Baht S. K., Randlett M, R. Thermopower in thin-film copper-
constantan couples. —J. Appl. Phys., 1968, 39, N 3, p. 1525—1528.
131.	Daly R. T. Measuring laser performance.— Microwaves, 1964, N 1, p. 50—58.
132.	Day (3. W., Gaddy O. L., Iversen R. J. Detection of fast infrared laser
pulses with thin film thermocouples.— Appl. Phys. Lett.,- 1968, 13, N 9,
p. 289—290.
133.	De Waard R., Wormser E. M. Description and properties of various thermal
detectors. — Proc. IRE, 1959, 47, N 9, p. 1508—1513.
134.	Edwards J. G. An accurate carbon cone calorimeter for pulsed lasers. —
J. Sci. Instrum. f 1967, 44, N 10, p. 835—838.
135.	Eisenman W. L.f Bates R. L., Merriam J. D. Black radiation detector.—
J. Opt. Soc. Amer., 1963, 53, N 6, p. 729—734.
136.	Eisenman W. L.f Bates R. L. Improved black radiation detector.— J. Opt.
Soc. Amer.,- 1964, 54, N 10, p. 1280—1281.
137.	Fellgett P. B. Dynamic impedance and sensitivity of radiation thermocoup-
les. — Proc. Phys. Soc. B, 1949, 62, N 352, p 351—359.
138.	Firestone F. A. Radiation thermopile desing.— Rev Sci. Instrum., 1930, 1,
N 11, p. 630—649.
139.	Fritsche L.f Wolf F., Schaber A. Zur Struktur und Enfstehung schwarzer
wismutaufdampfschichten. —Z. Naturfosch A, 1961, 16, N 1, S. 31—36.
140.	Gardon R. An instrument for the direct measurement of intense .thermal
radiation.— Rev. Sci. Instrum., 19 53, 24, N 5, p. 366—370.
141.	Gardon R. A transducer for the measurement of heat-flow. rate. — Trans.
ASME C, 1960, 82, N 4,- p. 396-398.
142.	Gelling L. Das Thermoelement als Strahlungsmesser. — Z. angew. Phys.,
1951, 3, N 12, p. 467—477.
143.	Gruppe der thermoelekrischen und bolometrischen Warmestrahlung — Semp-
fanger fon Тур PTH-10, PTH-11, РТН-12, РТН-20, PTH-30, БН-10 UdSSR. —
[S. 1.; S. a.] — 2 S.
144.	Harris L. Thermocouples for the measurement of small intensities of radiati
ons.— Phys. Rev., 1934, 45, N 9, p. 635—640.
145.	Hase R. Thermoelement fur Strahlungsmessungen.— Z. Phys., 1923, 15,
N 1, S. 52—53.
146.	Heast SPY infrared thermometer: Catalog W—100.—Los Angelos: William •
Wahl Corp. 1976.— 4 p. z
147.	Hilger Schwarz thermopiles: Techn. Data Sheet N 3—10D. London! R. P. I.
Ltd., [S. a.] —4 p.
148.	Hornig D. F., O'Keefe B. J. The desigh of fast thermopiles and the ultimate
sensitivity of thermal detectors. — Rev. Sci. Instrum., 1947, 18, N 7,-
p. 474—482.
149.	INFRAPYR. Typ FE 4340. — Jena; Burgau: Inst. Warmetechn. und Automa-
tisier. Silikathuttenindustrie, 1976. — 4 S.
150.	Ito K. Thermal detectors of optical radiation.—J. Ilium. Eng. Inst. Jap.,
1974, 58, N 11, p. 589—597.
151.	Jacob J. H., Pugh E. R.f Daugherty J. D4 Northam D. B. An absolute
method of measuring energy outputs from CO2 lasers.—Rev. Sci. Instrum.,
1973, 44, N 4, p. 471—474.
152.	Jennings D. A. Calorimetric measurement of pulsed laser output energy. —
In: Conf Precis. Electromagn. Meas. June 21—24. Boulder, (Col.), 1966,
p. 13-14.
153.	Jennings D. A., West E. D. A laser power meter for large beams.—Rev.
Sci. Instrum., 1970, 41, N 4, p. 565—567.
154.	Johansen E. S. Uber die Vakuumthermosaule als Strahlungsmesser.-»- Ann.
Phys., 1910, 33, N 4, S. 517—536.
155.	Johansen E. S. Notiz uber die Konstruktion empfindlicher Thermosaulen.-^
Phys. Z., 1913, 14, N 20, S. 998—1000.
156.	Jones R. V. The desing and construction of thermoelectric cells.= J. Sci.
Instrum., 1934, 11, N 8, p. 247—257.
694
i^7 Jones R. C. Factors of merit for radiation detectors.—J. Opt. Soc. Amer.
» 1949, 39, N 5, p. 344-356.
148. Jones R. C. Phenomenological description of the respose and deleting abi-
lity of radiation detectors.— Proc. IRE, 1959, 47, N 9, p. 1495—1502.
159	Kellock H. A. A calorimeter for infra-red laser power measurement.—
‘ J. Sci. Instrum., 1969, 2 N 4, p. 377-378.
ifiO Kerkhof F. Untersuchungen uber die Oberflache von «Vakuumthermoelemen-
’ ten.—Ann. Phys., 1938, 31, N 4, S. 315—336.
161	KHlick D E., Batemen D. A., Brown D. R. et al. Power and energy mea-
suring techniques for Solid state lasers. — Infrared Phys.# 1966, 6, N 2,
p. 85—109.
162.	Kimoto K.t Kamiya Y.f Nonoyama M.f Uyeda R. An electron microscope
study of fine metal particles prepared by evaporation in argon gas at low
pressure. — Jap. J. Appl. Phys., 1963, 2# N 11# p. 702—713.
163.	Koike R., Tajima I. Thin-film thermoelectric transducer for measurements
of low-level power between 0 and 11 GHz. — Proc. IEE, 1974, 121, N 1#
p. 28—32.
164.	Koozekanani S.# Debye P. P.; Krutchkoff A.# Giftan M. Measurements of
the laser output.-— Proc. IRE, 1962, 50, N 2, p. 207.
165.	Lebedew P. Vacuumthermoelemente als Strahlungsmesser.— Ann. Phys.#
1902, 9, N 9, S. 209—213.
166	Lf T.j Sims S. D. A calorimeter for energy measurements of optical ma-
sers.—Appl. Opt., 1962, 1, N 3# p. 325—328.
167.	Mahboob Yasin M. Thermocouples.— Pakistan J. Sci.# 1972# 24# N 1/2#
p. 71—75.
168.	Marshall R., Atlas L.t Putner T. The preparation and performance of thin
film thermocouples.— J. Sci. Instrum.# 1966, 43, N 3, p. 144—149.
169	Mizushima Y. Entstehungsmechanismus Schwarzer Metallaufdampfschichten.— g
Z. Naturforsch. A, 1961, 16, N 11, S. 1260—1261.
170.	Moss T. S. Modern infra-red detectors.—Adv. Spectrosc.# 1959# N Ь
p. 175—213.
171.	Muto J.f Asakura K.f Akechi K. On the fabrication and characteristics of#
bismuth-antimony thermopile detectors.— Proc. Fujihara Mem. Fac. Eng.
Keio Univ.# 1970. 23, N 2, p. 65—70. л
172.	Neill A. H. High-energy light detector for use with pulsed ruby and glass
lasers. — Appl. Opt.,- 1970, 9, N 10, p. 2392—2393.
173.	Nowicki R. Accuracy of the substitution method in laser-radiation calori-
meters.—Infrared. Phys.# 1969# 9, N 1, p. 211—224.
174.	Offenberger A. A. Analysis of a thermocouple laser power meter.»»- Appl.
Opt., 1970# 9, N H, p. 2594—2597.
175.	Pfund A. H. Bismuth black aud its applications.— Rev. Sci. Instrum.,
1930# 1# N 7# p. 397—399.
176.	Pfund A. H. The optical properties of metallic and crystalline powders.—
J. Opt. Soc. Amer., 1933, 23, N 2, p. 375—378.
177.	Plyler E. K.i Ball J. Infra-red absorption of deposited blacks.— J. Opt.
Soc. Amer., 1948, 38, N 11, p. 988—989.
178.	Rasmussen A. L. Laser energy and power measurement with a double ref-
lecting plate calorimeter.—Rev. Sci. Instrum., 1970# 41, N 10# p. 1479—
1484.
179.	Rayotube. Leeds Northrup International General Catalog# HO.0001.173# Leeds
Northrup Company# 1973# p. B72—B73.
180.	Roess L. C., Dacus E. N. The design and construction of rapld-respon|Q her-
mocouples for use as radiation detectors in infrared spectrographs.Rev.
Sci. Instrum., 1945# 16, N 7# p. 164—172.
181.	Sakurai Кч Maruyama T. A milimeter-wave microcalorimeter. IRE
Trans. Instrum., 1962, 11, N 3/4, p. 270—276.
182.	Sakurai K4 Mitsuhashi У., Honda T. A laser microcalorimeter.— IEEE
Trans. Insirum. Meas., 1967, IM/16, N 3# p. 212—219.
183.	Schmidt H. Priifung der Strahlungsgesetze der Bunsenfl amine.—Ann. Phys,,
1909, 29, N 5, p. 971—1028.
184.	Schwarz E. Semiconductor thermopiles.— Res. Sci. and Appl. Ind.# 1952,
5, N 9, p. 407—411.
185.	Scott B. F. Fabrication and performance of cone calorimeters for laser
energy measurements.—J. Sci. Instrum.# 1966# 43, N 10, p. 685—687.
186.	Sharp L. E.f Holmes L. S.# Stott P. E.t Aidcroft D. A. A thin film ther-
mopile for neutral particle beam measurements.—Rev. Sci. Instrum.# 1974,
45, N 3, p. 378-381.
187.	Simms D. L.f Hinkley P. L. An absolute radiometer for the range 0,1—2,5
cal cm-5-2 sece? (0,4-^10w cm^2).^ J. Sci. Instrum.# 1963# 40. N 5# p. 216—
220.
695
188.	Stnathers S. E., Maksymonko G. Calorimetric measurement of optical power
from pulsed lasers.— IEEE Trans. Instrum. Meas., 1972, IM/21, N 4,
p. 430-433.
189.	Solid state calorimeter for laser energy measurement.— Nat. Bur. Stand.
Techn. News Bull., 1971, 55, N 2, p. 45—46.
190.	Stafsudd 0., Stevens N. Thermopile performance In the far infrared. —
Appl. Opt., 1968, 7, N 11, p. 2320—2322.
191.	Stahl K. Infrarot-Detektoren.—Optik, 1968, 27, N 1, S. 11—30.
192.	Stair R.f Schneider W., Waters W., Jackson J. Some factors affecting the
sensitivity and spectral responce of thermoelectric (radiometric) detectors. —
Appl. Opt., 1965, 4, N 6, p. 703—710.
193.	Steam J. W. A radiometer for continuous wave laser radiation. — J. Sci.
Instrum., 1967, 44, N 3, p. 218—219.
194.	Stevens N. B. Semiconductors and semimetals. Vol. 5. Infrared detectors.—
New York; London: Acad, press, 1970, chap. 7, p. 287—318.
195.	Strachan D. C.f Goodyear С. C. Improvements in the response time of a
Hilger—Schwarz thermopile. — J. Sci. Instrum., 1973, 6, N 1, p. 90—94.
196.	Strahlungspyrdmeter ARDOMETER. Betriebsanalysengerate und Temperatur-
me₽gerate; Kat. MPII, Teill 1. Bis. 3, 1977, S. 1/51—1/52.
197.	Strahlungspyrometer ARDONOX. "Betriebsanalysengerate und Temperatur-
mePgerate: Kat. MPII. Teill 1. Bis. 3, 1977, S. 1/45-1/47.
198.	Strong J. Notes on radiation thermopiles. — Rev. Sci. Instrum., 1932, 3,
N 2, p. 65-70.
199.	Tachoire H. Determination calorim6trique de I’Snergie d’un rayonnement
laser. — C. r. Acad. Sci., 1964, 258, N 25, p. 6093—6095.
200.	Thornburg D. D., Wayman С. M. Thermoelectric power of vacuum-evapora-
red Au—Ni thin-film thermocouples. — J. Appl. Phys., 1969, 40, N 7,
p. 3007—3013.
201.	Weihe W. K. Classification and analysis of image-forming systems. — Proc.
IRE, 1959, 47, N 9, p. 1593—1604.
202.	Weiner S., Schwarz F. Thermopile IR detectors. «- Space/Aeronaut., 1963,
40, N 3, p. 95—100.
203.	West E. D., Case W. E., Rasmussen A. Schmidt L. B. A reference calo-
rimeter for laser energy measurements. •=» J. Res. Nat. Bur. Stand. A., 1972,
76, N 1, p. 13—26.
г л а в a XV. ДРУГИЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
§ 1. Термоэлектрический насос [9]
Насос представляет собой устройство для перекачки электропро-
водной жидкости. Для его работы используется тепловая энергия,
преобразуемая термоэлементом в электрическую и затем в энергию
движения жидкости. Перенос жидкости осуществляется силами
взаимодействия термоэлектрического тока, текущего через жид-
кость, с внешним магнитным полем. Для работы насоса может ис-
пользоваться тепловая энергия как нагретой прокачиваемой жид-
кости, так и от постороннего источника тепла.
Основные достоинства насоса — простота конструкции, вы-
сокая надежность и непосредственное использование тепловой
энергии для работы — позволяют применять его в системах авто-
номного энергоснабжения, для интенсификации теплообмена раз-
личных устройств, перемещения контактной среды в сильноточных
реле, для охлаждения радиоаппаратуры. В условиях производства
термоэлектрический насос может применяться для перекачки жид-
ких металлов, агрессивных или токсичных сред, для электромаг-
нитной обработки расплавов, очистки от окислов и газовых вклю-
чений. Он -может быть использован и как расходомер.
Отсутствие в насосе движущихся частей и возможность ра-
боты без посторонних источников .электричества позволяют при-
менять его в системах теплообмена ядерного источника тепла
с термоэлектрическим генератором, предназначенных для работы
в условиях, требующих повышенной надежности,— в космосе, под
водой и др.
Сведения о свойствах термоэлектрических, насосов подробно
изложены в монографии А. X. Черкасского «Термоэлектрический
насос» [9].
1. Теория термоэлектрического насоса
Принцип работы и модели для расчета. В основу работы положено
использование силы, возникающей в проводнике с током в магнит-
ном поле. Этой силой осуществляется перенос жидкости в направ-
лении, перпендикулярном магнитному полю и току. В термоэлек-
трическом насосе (рис. XV.1) для создания электрического тока в
жидкости использован термопарный элемент. При расчетах допуска-
ется, что электрический ток протекает только между электродами
перпендикулярно движению жидкости (ответвлением тока за пре-
делами канала пренебрегается). В реальных конструкциях для
697
удовлетворения этому условию установлены электроизолирующие
перегородки на входе и выходе канала (рис. XV.2). Для расчетов
могут применяться упрощенные эквивалентные схемы, построенные
на элементах со сосредоточенными параметрами (рис. XV.3).
На рисунке Rn— тепловые сопротивления ветвей термоэлемен-
та, Д7\= Ti— Т2 — разность температур между прокачиваемой
и охлаждающей жидкостями, /?т, /?2,	/?4 __ контактные терми-
4ecKnej ^сопротивления между тер-
моэлементом и жидкостями, —
термическое сопротивлениетепло-
4 вых шунтов, по которому пере-
Рис. XV. 1. Схема термоэлектри-
ческого насоса:
1	— канал с прокачиваемой жидкостью;
2	—• замыкающая термоэлементы шина;
3	— постоянный магйит; 4 — теплоотво-
дящее ребро; 5, 7 — термоэлементы; 6 —
тепловая и электрическая изоляция.
носится часть теплового потока, прошедшая мимо термоэлемента;
грп = гр + гп — электрическое сопротивление последовательно вклю-
ченных ветвей термоэлемента, гш — сопротивление токоподвода и то-
козамыкающей шины, г0 — сопротивление прокачиваемой среды между
токоподводами, гст — сопротивление стенок канала, шунтирующее про-
качиваемую среду; Ерп — термоЭДС термоэлемента, Е$ — ЭДС ин-
Рис. XV.2. Способ уменьшения ответвленного от канала
электрического тока изоляционными перегородками:
1,4 — токозамыкающая шина; 2, 3 — термоэлементы; 5 — стенка
канала; 6 — изоляционная перегородка; 7 *- направление движе-
ния жидкости; 8 — направление тока.
дукции, вызванная движением проводящей жидкости в магнитном
поле; Гм — магнитный поток, /?5 — магнитное сопротивление рабочего
зазора, 0 — магнитное сопротивление, описывающее рассеяние маг-
нитного поля, /?ст — магнитное сопротивление магнитопроводов, /?ст—
собственное сопротивление магнита, Др, Дрвх, Дрвых, Дртр— эле-
менты гидравлической схемы, обозначающие соответственно напор
в канале, гидросопротивления входного и выходного патрубков, рабо<
чего канала.
698
Основной характеристикой термоэлектрического насоса является
его КПД, равный отношению механической энергии, переданной про-
качиваемой жидкости, к затраченной тепловой энергии в единицу вре-
мени:
n = rK/Qw.	(XV.1)
КПД можно представить произведением коэффициентов
'П — ЛтэмЧг'Пш'П//»
(XV.2)
где Лтэм “ термоэлектромагнитный КПД, т]г — гидравлический КПД,
— коэффициент, характеризующий потери по шунтирующим эле-
ментам, т|^ — коэффициент, описывающий относительные затраты на
возбуждение магнитного поля. Каждый из коэффициентов
Лтэм =	(XV.3)
где —тепловая мощность, подводимая к термоэлементам;
Дрк — Дрг
=	(XV.4)
где Дрк — напор в канале на его длине, Дрг — потери давления
в канале;
Лш = QtJQw*	(XV.5)
Л/у — 1	1 — ^я/^к»	*
где QH — тепловая и полученная из нее электрическая мощность WH,
затраченные на образование магнитного поля. Величина
WK = ДркК0,	(XV.6)
*
где Ко — объем жидкости, прошедшей через 'канал в единицу времени,
Дрк = iBlK,	(XV.7)
/ — плотность тока в канале, В —- магнитная индукция, ZK — длина
канала (размер в направлении движения жидкости).
Коэффициент т]г обусловлен трением жидкости о стенки, харак-
тером течения жидкости и т. д., т]ш — непроизводительными потерями
тепла; оба коэффициента при совершенствовании конструкции стре-
мятся к единице. Коэффициент т]^ при использовании постоянных
магнитов равен единице, так как в этом случае	WH = 0.
Таким образом, основным в формуле (XV.2) является коэффициент
Лтэм» в пеРвУю очередь зависящий от свойств материала термоэле-
ментов и условий оптимизации конструкции.
Для его определения необходимо рассмотреть свойства преобразова-
теля тепловой энергии в механическую. В идеальном случае он пред-
ставляет собой термопару, нагруженную на эффективное сопротивле-
ние прокачиваемой жидкости, в которой генерируется ЭДС индукции.
699
Развиваемая термоэлементом электрическая мощность расходуется на
преодоление ЭДС индукции Еф, возникающей при движении жидкости:
£ф//к* = МЛо,	(XV.8)
где b — размер канала в направлении магнитного поля. КПД пре-
образования тепловой энергии в электрическую определяется,
как для обычного термоэлемента, нагруженного на внешнее элек-
трическое сопротивление, равное произведению ЭДС индукции
Еф наток, протекающий через прокачиваемую среду. При больших
перепадах температуры учет температурных зависимостей свойств
материала производится, как и для обычных термогенераторов.
Улучшение КПД термогенераторов достигается каскадированием.
Режим максимального расхода. Описание термоэлектрического
генератора совместно с каналом производится в двух предельных
режимах работы: максимального расхода и максимального напор'а
(давления). По этим режимам строится напор-расходная характе-
ристика, описывающая все промежуточные состояния.
В режиме максимального расхода скорость жидкости через
канал ys максимальна, ее напор равен нулю. Вызванная движе-
нием жидкости ЭДС индукции Еф также максимальна и равна па-
дению термоэлектрического напряжения Uxx на стенках канала,
ток через жидкость в этих условиях не протекает:
ихх =£ф,	(XV.9)
гст
Uxx = aBvs,	(XV.11)
где а — размер канала вдоль тока, Uxx — падение напряжения в ре-
жиме холостого хода (рис. XV.3).
В реальных условиях скорость движения жидкости меньше Vs,
перегрузочный коэффициент
М^ = У- = 7Г-	(XV.12)
UXX
определяет КПД преобразования тепловой энергии в механическую.
Непроизводительные потери описываются коэффициентом расхода
(1 । “F Гш \ [Rpn \	/у\т 1 о\
<Pv= Н--------~----	-п— ’	(XV.13)
\	гст /	\^к /
где
р			1	р	*	(XV ш
=	1	1	1	Арп —	|	1	.	V • _ _|	—-
+ ^2	1 ЯП+Я3 + Я4	RP 1 Rn
700
Коэффициентом ф5 учитываются термические и электрические со-
противления, снижающие КПД; выбором его оптимального зна-
чения обеспечивается максимальный КПД. Для заданного сопро-
тивления прокачиваемой среды гс при соответствующем выборе
электрических и тепловых сопротивлений стенок канала, пере-
ходных сопротивлений и сопротивлений термоэлемента
1
х (1 +	+ у1	+ Ч \ (XV. 15)
\ ГСТ	rc у	ГС /
коэффициенты теплопроводности и электропроводности материалов вет-
вей, 7?тер — термические сопротивления.
а
Рис. XV.3. Эквивалентные схемы термоэлектрического
насоса:
а — тепловая; б — электрическая; в магнитная; г гидравличе-
ская.
Условие (XV. 15) реализуется при
(XV. 16)
Режим максимального напора соответствует и ;= 0 (канал пере-
крыт). В этом случае Е$ = 0. Внутреннее сопротивление в таком
режиме
______	/ 1]	ш I е СТ	I
экв грп I 1 ~Г г	~Г ~	г I	I >
\ грп 'рп Гст ~г ГqJ
(XV. 17),
701
а ток короткого замыкания
^"кз
аД7\
гэкв
(XV. 18)
Множитель отличается от ранее рассмотренного (в режиме
Лк
холостого хода) учетом эффектов Джоуля и Пельтье. Ток через канал
(XV19)
'СТ г 'с
в режиме короткого замыкания
.	сьЬТj /Rpn\
!фк?— rK	(XV.20)
где
гк = гс Ь + (ГрП + "“О 6 +'ГрП + ГШ)~11 •	(XV.21)
L \ га / \	гст '
Омические и термические переходные сопротивления создают
непроизводительные потери мощности, поэтому ток в канале и дав-
ление жидкости несколько меньше максимальных теоретических.
Их отношение фкз описывает значение этих потерь:
Фкз =
КЗ
аД7\
грп
т1гс + грп
(XV.22)
Для описания потерь в канале, его оптимизации в режиме макси-
мального давления используют коэффициент ф/ — конструктивный
параметр канала, называемый коэффициентом тока:
' ' ^=^-’ , (XV’23)
гс
который равен отношению тока короткого замыкания с учетом всех
потерь к току идеального насоса, в котором единственным сопро-
тивлением внешней цепи является сопротивление среды в канале.
Коэффициент тока ф{. и коэффициент потерь фкз связаны соотноше-
нием
Ф» = Фкз(—)•	(XV.24)
рп'
При заданных значениях всех внешних сопротивлений оптимизация
конструкции термоэлемента для достижения максимального Ф/
702
производится путем выбора геометрических размеров термоэле-
ментов. Оптимальный
Зависимость напор—расход. Крайними точками вольт-ампер-
ной характеристики элемента являются U = UXXi когда ток через
канал равен нулю и I == /кз. Так как напор пропорционален току:
Ар =
М
/к
а расход
(XV.27)
(XV.28)

то напор-расходная характеристика является прямой, соединяю-
щей крайние точки, соответствующие двум предельным режимам
работы. Она строится как в абсолютных значениях, так и в отно-
сительных, отнесенных к максимально возможным значениям в
идеальных режимах, и описывается уравнением
Др = Дркз - () Vo,	(XV.29)
\ v0s /
где VOs — максимальный расход.
Механическая мощность прокачиваемой жидкости в относи-
тельных единицах (по отношению к максимальной), пропорциональ-
ная КПД, изменяется по параболе и достигает максимума (рис. XV.4)
при
Mv = ~ = 0,5.	(XV.30)
В зависимости от значения омических и термических сопро-
тивлений (значения непроизводительных потерь) наклоны напор-
расходных характеристик' изменяются. Наклоны также изменя-
ются при изменении магнитной индукции В. Если термоЭДС ге-
нератора задана, то требуемый расход достигается выбором значе-
ния магнитной индукции
хх Л4гФгаАТ f
“ N3ax.av ~ Naa*av ’
где N3ax — число заходов канала через магнитный зазор. Изменение
напор-расходной характеристики при изменении магнитной
703
индукции приведено на рис. XV.5, изменение напор-расходной
характеристики и КПД преобразования в зависимости от перепада
температуры — на рис. XV.6.
Гидравлический КПД канала описывает потери давления в на-
сосе
л t Р°и*
Лрг = ^~2->
(XV.32)
где pQ — плотность жидкости, — ее скорость, 5 — гидравли-
ческий коэффициент канала.
Рис. XV.4. Напор-расходная характеристика канала термоэлектри-
ческого насоса и КПД в относительных единицах.
Рис. XV.5. Изменение напор-расходной характеристики канала при
изменении магнитной индукции по сравнению с исходной Во:
/-В/Во = 2; 2-В/Во= 1,5; 3 — В/Во = 1; 4 - В/Во == 0,67; 5 _ В/Во « 0,5.
Как следует из эквивалентной схемы (см. рис. XV.3), гидрав-
лические потери в насосе возникают на трех последовательно вклю-
ченных гидравлических сопротивлениях.
Гидравлическое сопротивление проточной части определяется
по обычным формулам гидравлики с учетом влияния магнитного
поля на течение жидкости; потери на входных и выходных участках
также'рассчитываются и учитываются как дополнительные члены
в относительном гидравлическом коэффициенте канала:
^c^.+U + Ux.	(XV.33)
где %с — коэффициент сопротивления.
Гидравлическое сопротивление спиральных каналов опреде-
ляется аналогично при введении поправочного множителя, учи-
тывающего кривизну канала [9J.
704
Относительное гидравлическое сопротивление канала (гид-
равлический коэффициент)
t P»VS
® 2 &Рг
где Дркз — максимальный гидравлический напор в режиме короткого
Рис. XV.6. Изменение напор-расходной характеристики канала при
изменении перепада температуры по сравнению с исходной ДТ/0) и
исходным т)0:
1 - АТ^/ДТ/0) = 1,5;	2 — А7\/А7\<°) = 1,-25;	3 — А7\/Д= 1,0;	4 -
АТудТ/О) = 0,75; 5 — ДТ^ДТ/0) = 0,5.
Рис. XV.7. Напор-расходные характеристики для различных гидра-
влических коэффициентов:
/_£*== 1; 2 —	= 0,5; 3 е* = 0,1; 4 —	= 0.
замыкания. Полезное гидравлическое сопротивление
Дрн = Др — Дрг-
(XV.35)
Его связь с расходом дается выражением
. / v0 \ , /AV
ДРкз HoJ ё •
(XV.36)
Гидравлический КПД канала
пг
Дрг
23 9-413
(XV.37)
7Р5,
Предельный относительный расход, при котором Дрн = О, в зависи-
мости от определяется как
/1 + 4Г - 1
2Г
«1-Г + Г2
(XV .38)
Влияние гидравлического сопротивления на напор-расходную ха-
рактеристику приведено на рис. XV. 7. При конструировании ка-
нал считается удовлетворительным, если = 0,1 4- 0,25.
Термоэлектромагнитный КПД насоса определяется как КПД
термоэлемента, нагруженного на сопротивление канала, генериру-
ющего противоЭДС:
'Птэм
Д7\	Aft, (1— Mv)
I + (1 _ М) г9фТ1 ^1 -
(XV.39)
При наибольшей механической мощности М = 0,5 и наибольшем КПД
'Птэм “	МтЛ	£эф£х		(XV.40)
	' Tl { l+0,5Z-3i>TJl-0,25^Y	
Приближенно можно считать		
	(1-0,25^) =al \ 11 /	(XV.41)
и соответственно	%эм= 0,25^11)2$,	(XV.42)
где		
а	7(С7) _	^эф7\	(XV.43)
	- 1+0,52эфТ>	
Добротностью карала	гэф = ^офифкз (RijRpn)	(XV.44)
учитываются непроизводительные тепловые и электрические по-
тери. Они описываются коэффициентом добротности
(XV.45)
706
Оптимизация (XV.37) по значению отношения сопротивления
термоэлемента к сопротивлению канала, при котором достигаются
максимальные добротность и КПД, дает
Коэффициент добротности и КПД преобразования тем больше, чем
меньше электрические сопротивления замыкающих шин и чем боль-
ше термическое сопротивление и электрическое сопротивление сте-
нок канала.
Термоэлектромагнитный КПД в режиме максимальной мощ-
ности и "режиме максимального КПД отличаются незначительно
и могут быть приняты равными друг другу.
2. Материалы для термоэлектрических насосов
Термоэлектрические материалы. Требования к материалам для
термоэлементов термоэлектрического насоса совпадают с обычными
требованиями для материалов термоэлектрических генераторов.
Материалы должны обладать высокими значениями добротности Z,
высокой температурой плавления для расширения интервала рабо-
чих температур, малой упругостью паров и стабильностью в задан-
ном интервале температур, высокой механической прочностью.
Для низкотемпературных насосов (77—200 К) наиболее при-
емлемыми являются сплавы Bi—Sb;>.npH температурах 200—550 К —
тройные соединения на основе Bi2Te3 — Sb2Te3, Bi2Te3 — Bi2Se3.
При более высоких температурах в основном используются PbTe,
GeTe, PbTe — SnTe и сплавы Ge—Si. Могут применяться и другие
материалы и сплавы, разработанные для термоэлектрических ге-
нераторов.
Кроме полупроводниковых представляют интерес и металли-
ческие сплавы: хромель, копель, алюмель и константан. Несмотря
на их относительно низкие термоэлектрические параметры, спла-
вы обладают повышенной механической прочностью в широком
интервале температур.
Материалы для токозамыкающих шин. Наиболее приемлемыми
являются серебро, медь, алюминий, обладающие высокой электро-
проводностью. Применение серебра целесообразно только при не-
обходимости обеспечить высокую пластичность контактов. Шины
23*
707
используются при работе в широком ййтервале температур, поэтому
при их конструировании необходимо учитывать возрастание их со-
противления с ростом температуры. Коэффициент теплопроводности
меди, серебра и стали изменяется с температурой незначительно,
теплопроводность алюминия возрастает в интервале 0—400° С при-
близительно в 1,6 раза. При высоких температурах серебро испа-
ряется интенсивнее меди, а медь окисляется и взаимодействует с па-
рами теллуридов. Поэтому для медных шин целесообразно исполь-
зовать защиту слоем железа. Контакт шин с термоэлементами осу-
ществляется через промежуточные слои, исключающие диффузию
материала шины в термоэлектрический материал. Промежуточные
слои в зависимости от материалов термоэлементов — никель, железо,
вольфрам и др.
Материалы для рабочего канала. Эти материалы должны отли-
чаться стойкостью к воздействию прокачиваемой среды, прочностью
при механических и термических воздействиях, достаточно высо-
кой теплопроводностью для переноса теггёта от прокачиваемой жид-
кости к термоэлементу, высокий электропроводностью для дости-
Таблица XV.1
Материалы канала термоэлектрического насоса
и прокачиваемые жидкости
Материал канала	Прокачиваемая жидкость	Максимальная рабочая тем- пература, °C
Нержавеющая сталь типа Х1БН10Т, желе- зо «Армко»	Натрий, калий,» сплавы натрий—калий, свинец, висмут, сплавы свинец— висмут, галлий, литий	
Малоуглеродистые стали	Ртуть	До 400
Ниобий, молибден, тантал, вольфрам и их сплавы	Натрий, калий, сплавы натрий—калий	
	Ртуть	До 600
	Свинец, висмут, сплавы свинец—висмут	До 950
	Галлий	400—800
	Литий	До 1000
Медь и ее сплавы (огра- ниченно стойкие)	Натрий, калий, сплавы натрий—калий	До 300
Ниобий + 1 % циркония	Литий	1400

708
Рис. XV.8. Температурные зависимости удельного элект-
росопротивления жидких металлов:
1 ~ Bi; 2 — Hg; 3 - PbBi (56,5% Bi); 4 - NaK (78% К); 5 - NaK
(56% К); 6 — Sn; 7 — K; 8 — Na; 9 — Pb.
Рис. XV.9. Зависимость плотности жидких металлов от
температуры:
/ _ Hg; 2 — Na; 3 — Pb; 4 — NaK f- 45% К); 5 — PbBi (56,5%Bi);
6 — NaK (~77%K); 8 •=- K; 9 ~ Ga; 10 — Li; 11 — Sn.
709
жения минимальных потерь при протекании тока через канал.
Рекомендуемые материалы и соответствующие им прокачиваемые
жидкости сведены в табл. XV. 1.
Прокачиваемые жидкости. Основными рабочими жидкостями
для термоэлектрических насосов являются расплавленные металлы
и их сплавы. Чаще всего используются расплавленные натрий,
калий и их сплавы, литий, ртуть и сплавы свинца с висмутом. Ос-
новные свойства этих веществ и некоторых других приведены в
графиках на рис/XV. 8 — XV. 13.
Рис. XV. 10. Температурные зависимости теплопроводности жидких
металлов:
1 _ Na; 2 - К; 3 - Li; 4 — Sn; 5 - NaK (~45% К); 6 - NaK (56,5% К); 7 — NaK
(78% К); 8 — Hg; 9 — Pb; 10 — Bi; И — PbBi (56,5% Bi).
Рис. XV.ll. Зависимость теплоемкости жидких металлов от темпе-
ратуры:
1 Li; 2 — Na; 3 - Sn; 4 — NaK (-45% К); 5 — NaK (78% К); 6 — К; 7 — Bi;
8 — Pb; 9 — PbBi (56,5% Bi); 10 — Hg.
Натрий может применяться в широком интервале температур,
обладает высоким коэффициентом теплоотдачи, высокой теплопро-
водностью, малой вязкостью, что требует малой энергии для про-
качки; не взаимодействует с нержавеющими и малоуглеродистыми
сталями в широком интервале температур, имеет большую электро-
проводность и может применяться для увеличения электропровод-
ности электрических стальных шин при высоких температурах.
Однако натрий активно окисляется, поэтому контур теплоносителя
надо тщательно герметизировать. Образование окиси натрия в виде
шлака приводит к закупорке канала и способствует коррозии. Нат-
рий бурно реагирует с водой, менее энергично — со спиртами и эфи-
рами. При комнатной температуре не реагирует с углеводородами.
Плавится при 98° С, поэтому запуск системы, наполненной натри-
ем, должен производиться после предварительного ее подогрева.
При затвердевании уменьшается в объеме на 21,5%.
710
106-м2/с
Рис. XV. 12. Зависимость кинематической вязкости жид-
ких металлов от температуры:
/ — Ga; 2 — Li; 3 — NaK (-45% К); 4 — NaK (-78% К); 5 - PbBi
(56,5% Bi); 6 - Bi; 7 — К; 8 - Na; 9 — Pb; 10 — Sn; 11 - Hg.
Рис. XV. 13. Зависимость давления насыщенных па-
ров ряда жидких металлов от температуры:
;-Sn: 2.^Pb;,<?«=Li; 4-Na; 5 — К; 6 - Hg.
711
Калий по свойствам близок к йатрию. В отличие от него обра-
зует на воздухе при комнатной температуре перекись, энергично
реагирующую с углеводородами.
Сплавы натрия с калием имеют пониженную температуру плав-
ления. Эвтектический сплав (78% К+22 % Na) плавится при
—11° С, а сплав 7% Na+93% Ze — при —28° С. Сплавы обладают
малой вязкостью: при 315° С'их вязкость равна вязкости воды при
99° С.
Ртуть, в отличие от калий-натриевых сплавов, взрывобез-
опасна и имеет низкую температуру плавления, однако является
относительно плохим теплоносителем.
Сплавы Pb— Bi имеют относительно высокую температуру за-
твердевания (125° С), что создает определенные неудобства при
заправке системы и запуске.
Все расплавы изменяют плотность при изменении температуры,
поэтому в герметичном контуре с жидким металлом предусматри-
ваются устройства для компенсации изменения их объема.
3. Конструкции термоэлектрических насосов к
Схема одноканального насоса с постоянным магнитом и металли-
ческой термопарой приведена на рис. XV. 14. Для прокачивания
Рис. XV. 14. Одноканальный термоэлектрический насос:
1 — канал; 2 — прокачиваемый расплав; 3, 6 — термоэлемент; 4 — нако-
нечник магнита; 5 — изоляция; 7 — токозамыкающая шина — рассеива-
тель тепла; 8 — постоянный магнит; 9 — паз для магнита.
Рис. XV. 15. Двухканальный термоэлектрический насос:
1,5 — термоэлементы; 2 — токоподвод; 3, 6 — каналы с горячей и хо-
лодной жидкостью; 4 — магнитопровод; 7 — теплоизолятор.
жидкости (щелочного металла) использованы каналы из нержа-
веющей стали. Сечение канала 12,7X12,7 мм2, длина 158 мм,
толщина стенок 0,25 мм. Термоэлементы из хромеля и константана
высотой 2,54 мм припаяны к каналу и медной токозамыкающей
шине. Магнитное поле создается между полюсными наконечниками
из мягкого железа, через шину к наконечникам вмонтирован по-
стоянный магнит сечением 25,4X25,4 мм2. Полюсные наконечники
712
и канал разделены слоем теплоизолятора из слюды толщиной 0,8 мм.
Индукция в магнитном зазоре 1,07 Т. Теплоотвод от холодных спаев
термоэлемента осуществляется токозамыкающей шиной, рассеиваю-
щей тепло в окружающее пространство. При разности температур
между жидкостью и окружающей средой 149 К и расходе 5 г/мин
насос развивает напор 0,02-105Н/м2.
। В двухканальном термоэлектрическом насосе из термоэлемен-
тов прокачиваемой жидкости и токозамыкающих шин представля-
ется возможным образовать виток с током, используемый для соз-
дания магнитного поля. Схема насоса приведена на рис. XV. 15.
Рис; XV. 16. Схема насоса с термоэлектрической парой стенки кана-
ла — жидкость:
1 — стенка канала (элемент л-типа); 2 рабочая среда (элемент р-типа); 3 —
линия тока.
Рис. XV. 17. Схема термоэлектрического насоса системы СНАП-10А;
1 — постоянный магнит; 2 — магнитопровод; 3 —, ребро охлаждения; 4 линии
тока; 5, 7 — п- и р-ветви; 6 рабочий канал.
Предложена также конструкция, в которой термоэлектрической
парой являются материал прокачиваемой среды и стенки сосуда:
(рис. XV. 16). Однако такое устройство имеет малый КПД из-за
низкой добротности применяемых материалов.
Термоэлектрический насос был установлен на бортовой косми-
ческой энергоустановке СНАП-10А с ядерным реактором и термо-
электрическим генератором. Насос предназначался для перекачки
теплоносителя в контур, соединяющий реактор и термобатарею.
Схема насоса приведена на рис. XV. 17. В нем использованы канал
прямоугольной формы, две пары термоэлементов из PbTe, постоян-
ный магнит и излучающие тепло охлаждающие алюминиевые реб-
ра. Канал изготовлен из нержавеющей стали, длина рабочей части
канала 101,6 мм, общая длина 202, 2 мм. Применены термоэлемен-
ты толщиной 25,4 мм, шириной 6,35 мм; общая площадь контак-
та 25,8 мм2. На каждой из контактирующих плоскостей спеканием
при температуре 690° С образован анти диффузионный слой из желез-
ного порошка толщиной 0,76 мм. Магнит изготовлен из сплава аль-
нико, индукция в зазоре 0,25 Т. Масса насоса 7,7 кг. При расходе
0,83 л/с перепад давления 0,95 • 104Н/м2, КПД насоса около 0,8%.
Для запуска системы циркуляции использованы два дополнитель-
ны^ токоподвода, которые присоединяются к аккумуляторам. Не-
сколько измененный вариант насоса разработан для прокачки теп-
713
доносителя в реакторе с паротурбинньш циклом. В связи с тем что
рабочие температуры теплоносителя более высокие (649—704° С),
полупроводниковые термоэлементы были заменены металлическими
сплавами — константаном (55% Си + 45% Ni) и хромелем (90%
NL+ 10% Сг). При расходе 26 г/с насосом развивался напор 0,00’1 X
§ 2. Тепломеры
К тепломерам [3, 8] относят приборы, которыми измеряют плотность
теплового потока. Они применяются для измерения и контроля
тепловых' режимов двигателей, различных приборов и механизмов,
для определения тепловых потерь, коэффициента теплопроводности,
для получения информации о характере тепловыделений биологи-
ческих объектов, для дозиметрии, контроля и автоматизации тех-
нологических процессов и т. д.
Конструкция тепломера зависит от области его применения
и способа переноса регистрируемого потока тепла (теплопровод-
ностью веществ, конвективным или лучистым теплообменом). Све-
дения об устройствах для измерения тепловых потоков, переноси-
мых излучением, изложены в гл. XIV. Ниже приведены сведения
о тепломерах, которыми измеряются тепловые потоки при нали-
чии контакта с поверхностями, излучающими или поглощающи-
ми тепло.
Для таких измерений широко используются тепломеры, в ко-
торых применен метод вспомогательной стенки: на пути измеряемого
теплового потока располагается «стенка» — образец с известным
коэффициентом теплопроводности. Значение теплового потока оп-
ределяется при известном перепаде температуры в образце, изме-
ряемом термопарой или батареей термопар. -
Основными параметрами, которыми характеризуются тепло-
меры, являются:
чувствительность So, Вт/(м2 • В);
рабочий коэффициент k = ~, м2 • В/Вт;
” о о
термическое сопротивление RT-, м2* К/Вт;
сопротивление термопары или термобатареи г, Ом;
инерционность (постоянная времени) т, с;
рабочий интервал температур, К;
площадь рабочей поверхности, м2.
1. Тепломеры с одиночными датчиками
Приборы предназначены для измерения плотности тепловых пото-
ков в интервале 103— 106Вт/м2. Датчик представляет собой диф-
ференциальную термопару, у которой один плоский электрод вы-
полняет роль вспомогательной стенки, два других плоских тонко-
стенных электрода вместе с токосъемными проводниками образуют
термоэлектрическую цепь (рис. XV. 18). Иногда проводники вмон-
тированы в тело датчика.
714
ТермоЭДС, развиваемая датчиком, пропорциональна прони“
зывающему его тепловому потоку Qw: ш
Е = kQw,	(XV.47)
, (ах — а2) /	,,
где k — —------------коэффициент пропорциональности, и а2 —
термоЭДС материалов термопары, / — толщина стенки, х — коэффи-
циент теплопроводности материала стенки. Подключенный к датчику
электроизмерительный прибор при соответствующей градуировке реги-
стрирует значение теплового потока.
Рис. XV. 18. Конструкции одиночных датчиков теплового потока:
а — с токосъемными проводниками, вмонтированными в датчик; б — с токосъем-
ными выступами; / — никелевое защитное покрытие; 2 — медные электроды; З—
промежуточный электрод; 4 — токосъемные проводники; б — изоляционные
втулки [3].
Чувствительность датчика равна развиваемой им термоЭДС,
отнесенной к единице теплового потока:
(XV-48)
4w	к
Неравномерности теплового потока в датчике приводят к искаже-
ниям показаний. Погрешности уменьшаются при использовании
датчиков с контактными проводниками, вмонтированными в цент-
ральную часть электродов (рис. XV. 18, а).
Значения рабочих коэффициентов одиночных датчиков, изго-
товленных из материалов для термопар, составляют около 500 X
X 106Вт/(м2* В). При измеряемых потоках 103— 106Вт/м2 разви-
ваемая датчиком ЭДС составляет от 2 до 2 • 103мкВ. При этом пе-
репад температуры на стенке от 0,05 до 50 К. При использовании
стандартных электродных материалов следует особое внимание
обращать на гомогенность токосъемных проводников — неодно-
родности вдоль проводников могут стать источниками существен-
ных погрешностей при измерениях.
Размеры серийных датчиков 0,01 X 0,01 м, толщина 0,001 м,
толщина стенки из константана 0,95 • 10-3м, токоотводы и контак-
тирующие пластины изготовляются из меди.
715
При измерениях потоков большой плотности в качестве вспо-
могательной стенки может использоваться материал с большим коэф-
фициентом теплопроводности — медь с константановыми токоот-
водящими электродами.
Повышение чувствительности достигается, если вспомогатель-
ная стенка изготовлена из материала с большим коэффициентом
термоЭДС: из висмута, сплава Вуда, сплавов теллура с медью или
серебром.
2. Тепломеры с термобатарейными датчиками
По сравнению с одиночными эти тепломеры имеют более высокую
чувствительность. В зависимости от конкретных условий приме-
нения в качестве вспомогательной стенки используют резину с
вмонтированной в ее тело термобатареей (пояс Шмидта), паронит,
асбестовый картон, стеклоткань и др. Для уменьшения вносимых
тепломером искажений материал вспомогательной стенки выбира-
ют по теплопроводности близким к веществу, через которое про-
текает измеряемый тепловой поток. Например, при измерении
тепловых потоков со дна водоемов в районах вечной мерзлоты ис-
пользована тепловая стенка из полиметилметакрилата, теплопро-
' водность которой близка к теплопроводности льда; для этой же
цели при измерениях на поверхности грунта применяется пропи-
танная аралдитом стеклоткань. При измерениях в условиях мас-
сообмена (например, при изменении влажности) вспомогательная
стенка изготовляется из пористого материала.
Термобатареи изготовлены из металлических сплавов для тер-
мопар. Наиболее широко используются батареи с гальваническим
нанесением: на константан—меди, на хромель—никеля. Могут
применяться и другие гальванические пары: константан—серебро,
копель—серебро, копель—медь, копель—золото, алюмель—желе-
зо, копель—железо, нихром—никель, платинородий—платина
и др.
Наибольшую чувствительность имеют тепломеры, у которых
роль вспомогательной стенки выполняет термобатарея. Такие тепло-
меры различных конструктивных 'модификаций, разработанные
в ИТТФ АН УССР, нашли широкое применение. В датчик пло-
щадью 17 X 17 мм2 уложено (3 4-3,5) • 103 /термопар, залитых
f эпоксидной смолой или термостойкими лаками и эмалями.
При заливке датчиков эпоксидной смолой ЭД-4 верхняя ра-
бочая температурная граница составляет около 100° С, при исполь-
зовании ЭД-6—около 120° С, фураново-эпоксидной смолы ФАЭД-13—
около 150° С. При более высоких температурах применяются
эмали. Разработана теория оптимизации конструкции тепломе-
ров [3].
Сведения о некоторых типах батарейных датчиков для тепло-
меров приведены в табл. XV. 2, XV. 3.
При создании высокочувствительных тепломеров перспектив-
ным "является применение полупроводниковых термобатарей. Такие
датчики могут применяться для измерений в узких интервалах
температур.
Подробно теория тепломеров, области их применения и обзор
работ по теплометрии изложены в монографии [3].
716
Сведения о некоторых типах батарейных датчиков теплового потока [5, 4]
Таблица’ XV.2
Прибор, разработчик	Размер вспомо- гательной стенки, мм	Толщина вспомогатель- ной стенки, мм	Материал вспомогательной стенки	Количество термопар	Материал термопар	Примечание
Тепломер Шмидта	(600 x 600)— (700X70)	' 3—5	Резина	200	—•	—
Московский инсти- тут «Теп л ©про- ект»	060—90	3—8	Паронит	1500—2000	Медь—кон- стантан4 (гальван.)	До 1000 Вт/м2
Ленинградский тех- нологический ин- ститут холодиль- ной промышлен- ности	0300			600—900	/	—
Фирма «Вескшап»	115x115	—	—	—	Константан— серебро (гальван.)	So=19 Вт/(м2х X мВ)
Фирма «Джойс и Лэбл»	050, 100 мм	—	Полиэтилен	—	Медь—кон- стантан	—
тмк*	—	—	—	—	—	Sy = 0,05 В/Вт
ПБ-2 **	—	—	—	—	—	Sy = 0,1 В/Вт
♦ Измерения потоков до 0,5 Вт в интервале от —50 до 100° С, погрешность не более 10%, г = 0,7 Ом, т » 2с.
*♦ Измерения потоков до 1 Вт в интервале от —50 до 200° С, погрешность не более 10%, г = 2,5 Ом, т = 5с.
Теплометрические приборы, разработанные в ИТТФ АН УССР [5]
Прибор	Тип прибора	Пределы измерения, Вт/м2	Чувствитель- ность, мВ»м2/Вт	
Одиночный датчик	ДТП-01-1	104—10е	2 • 10“®	
теплового потока				
Батарейный датчик	ДТП-02-01	0,2—3 • 104	1,5 • 10-3	
теплового потока То же	ДТП-02-2	5—2 • 104	2 • 10~3	
» »	ДТП-02-3	2—2 • 104	5 • 10~3	
» »	ДТП-02-4	0,1—2 • 104	7 . 10~3	
» »	ДТП-02-5	0,1—2 • 104	8 . 10~3	
» »	ДТП-02-6	0,2—5 • 104	1 . io-?	
» »	ДТП-02-7	10~3—104	1	
» »	ДТП-02-8	Ю-2—104	1 • 10~1	
» »	ДТП-02-9	Ю-1— 1 о4	2 • 10~?	
» »	ДТП-02-10	IO'1—104	4 • 10~3	
Измеритель тепловых	ИТП-3	10-500	0,2*	
потерь				
То же	ИТП-4	10-100	1,5 • IO"2	
» »	ИТП-5	1000,2000,5000	Более 20§ **	
» »	ИТП-6	1000,2000,5000	0,3 • io-?	
Прибор для диагно-	ТДС-02	10?—ю4	2,5 • 10~3	
стики в стоматоло- гии				
* дел. • м2/Вт.
**- мкВ • м2/Вт.
§ 3. Вакуумметры термопарные
Приборы используются для измерения давления в интервале 5 X
X 10"*— 10"3мм рт. ст. Датчик представляет собой герметизиро-
ванную колбу цилиндрической формы с откачным патрубком, в ко-
торую вмонтирован электрический нагреватель и термопара хро-
мель—копель (рис. XV. 19). Средняя часть нагревателя й спай
термопары приведены в тепловой контакт хромелевой перемычкой.
При пропускании через нагреватель электрического тока спай
термопары разогревается. По мере понижения давления на спае
возрастает температура (вследствие уменьшения теплообмена нити
нагревателя и электродов термопары с окружающей средой) и,
соответственно, повышается генерируемая термопарой ЭДС. Связь
между ЭДС термопары и давлением приводится в виде гр аду ир о-
718
Таблица XV.3
Постоянная времени при- бора, с	Диапазон ра- бочих темпе- ратур, К	Погреш- ность, %	Размеры прибора, мм	Примечание
<1	70-1000	±5	1X10X10	
<5	70-400	±2,5	027, h0 = 1,8	Серийный
<4	70-400	±2,5	08, й0 = 1,8	
<5	70—400	±2,5	1,5X10X10	
<3	70—400	±2,5	1,3X12X12	Медицинский
<3	70—400	±2,5	015, ft0 = 1,4	»
<10	70—600	±5	027,	= 2	
<20	70—400	±3	060, h0 = 2	
<20	70—400	±3	2,5X50X50	
<20	70—400	±5	090, h0 = 3	
<10	70—400	±3	1,5x17x60	Гибкий
<100	270—370	±5	20x20x2, 030, I = 300, 125X110X50	Размеры датчи- ка, жезла, по- казывающего прибора
<120	270—370	±5	027, ft0= 1,85, 030, / = 300, 127x107x55	То же
120	120—370	±5	027, h0 = 1,85 030, I = 300, 120X120X60	» »
120	200—400	±5	120x140x300	Футляр
5	320	±3	1,5x5x5, 200	Размеры чув- ствительного элемента, ру- коятки
вочных кривых, из которых по измеренным ЭДС термопары опре-
деляется давление (рис. XV. 20, XV. 21). Широко применяются
термопарные датчики давления двух типов: ЛТ-2 в стеклянном
корпусе и ЛТ-4М в металлическом. Рабочий ток нагревателя для
каждого из датчиков определяется экспериментально по максималь-
ной ЭДС (10 мВ) при давлении в колбе менее 10“4мм рт. ст.
В работе [7] установлено, что с достаточной степенью точности
градуировочную кривую можно описать аналитически:
(Е \
р =	(XV.49)
где Р — давление, £мак0— максимальная ЭДС термопары (10 мВ),
719
E — ЭДС термопары при измерении Р, А — коэффициент, зависящий
от конструктивных параметров датчика и температуры окружающей
среды. При известном Ёмакс значение А
определяется по одному из значений на
градуировочной кривой.
Для расширения диапазона измере-
ний в сторону малых давлений предла-
гается использовать повышенный темпе-
ратурный режим (при увеличенном ра-
бочем токе через нагреватель), в сторону
повышенных давлений (более 1 мм рт.
.. ст.) — заполнение объема датчика дис-
персными и теплоизолирующими мате-
риалами на основе двуокиси кремния
(аэрогели, кремнегели) [5]. Измерение
повышенных давлений (вплоть до атмо-
сферного) достигается при теплоизоля-
ции термопар и нагревателя серией эк-
ранов из алюминиевой фольги [12]. Эк-
раны расположены на небольших рас-
стояниях друг от друга (0,005 см).
a
Рис. XV. 19. Конструкции датчиков тер-
мопарных вакуумметров:
а — ЛТ-2; б -» ЛТ-4М; 1 колба; 2 цоколь.
720
Рис. XV.21. Градуировочная кривая для термопарного датчика
ЛТ-4М.
§ 4. Термоэлектрический трансформатор
В различных электронных и измерительных приборах широко ис-
пользуются устройства для усиления постоянного электрического
напряжения. Для этих целей обычно применяется преобразование
постоянного тока в переменный
(генераторы, вибропреобразовате-
ли), трансформация переменного
Рис. XV.22. Схема трансформато-
ра постоянного тока с термопар-
ными элементами первичной (/) и
вторичной (2) цепей.
тока с целью повышения напряжения и обратный переход к посто-
янному току выпрямителями или синхронными устройствами.
Термоэлектрическим трансформатором постоянного тока осу-
ществляется усиление постоянных напряжений и токов без преобра-
зований в переменный ток. Трансформатор (рис. XV. 22) содержит
первичную и вторичную цепи, в которых применяются находящиеся
в тепловом контакте и электрически изолированные термоэлементы.
В первичной цепи подводимая электрическая энергия преобразу-
ется в тепловую, во вторичной тепловая энергия обратно преобра-
зуется в электрическую. Холодные спаи термоэлементов в первичной
721
(XV.51)
(XV.52)
и вторичной цепях имеют одинаковую температуру, горячие (для
уменьшения потерь) теплоизолируются.
Для трансформатора, изготовленного из термопарных эле-
ментов, связь между напряжениями в первичной и вторичной це-
пях определяется из условия баланса теплот fl]
4	+ <?п> - 4 Qf = ($> + <2(к” + Q'2),	(XV.50)
где — теплоты Джоуля, выделяющиеся в объеме термоэлементов,
(2$ — теплоты Пельтье на примыкающих друг к другу спаях термо-
элементов первичной и вторичной цепей, Q* — теплоты, переносимые от
горячих спаев к холодным теплопроводностью термоэлементов. Из
(XV.50) следует, что коэффициент трансформации
Ui
(U2 — напряжение во вторичной цепи, Uf — в первичной) зависит
от однако для случаев, когда разности температур в термоэле-
ментах невелики и 0д< Qn, коэффициент трансформации постоян-
ный и определяется из формулы
ъ — ZT____________[tfzR_______
+	/.-И-
де Z — добротность термоэлектрического материала, /2 и Sf,
2 — длины и поперечные сечения ветвей термоэлементов в первин-
ой и вторичной цепях, а — электропроводность термоэлектри-
еского материала, АГ|^и — количество термоэлементов в пер-
инной *и вторичной цепях, R—сопротивление нагрузки транс-
орматора. Формула (XV. 52) получена в предположении, что мате-
иалы термоэлементов в первичной и вторичной цепях одинаковы,
параметры п- и р-ветвей близки между собой. Оптимизация
> геометрическим размерам из (XV. 52) позволяет определить
>эффициент трансформации в режиме максимального КПД:
1	лг<?)
4
(XV.53)
1я случая, когда R оо
(XV.54)
42>
1 Cf
(XV. 53) и (XV. 54) следует, что для изготовления трансформа-
юв с высокими значениями k необходимо во вторичной цепи
юльзовать термоэлектрический модуль, содержащий большое
[ичество последовательно включенных термоэлементов, напри-
1 при == 2 и Z = 2,5 • Ю^К"1 для k = 100 в режиме макси-
!ЬНОГО КПД « 540.
В работе [10] описан такой трансформатор с двумя элементами
в первичной цепи и 48 во вторичной.
Высокие значения k могут быть получены при использовании
во вторичной цепи элементов, развивающих большие ЭДС. Авто-
рами работы [11] для этой цели использован генератор Нернста
из Bi—Ag при температуре 77 К; в работе [1] предлагается исполь-
зовать вихревые термоэлементы.
§ 5. Сигнализаторы
внезапных изменений температуры
Термобатарея сигнализатора внезапных изменений температуры
состоит из сваренных последовательно хромель-копелевых или
хромель-алюмелевых термопар. Малоинерционные спаи раскле-
паны, инерционные прикреплены к материалу большой теплоем-
кости. При изменении температуры окружающей среды темпера-
тура малоинерционных спаев изменяется, температура инерционных
спаев изменяется существенно медленнее. Возникающая при этом
разность температур на спаях приводит к образованию термоЭДС,
Рис. XV.23. Конструкция (а) и внешний вид (б) преобразователя
пожарной сигнализации ППС-013:
1 — корпус; 2 — защитный чехол; 3 — малоинерционный спай; 4 *=* инерционный
спай; 5 — электрические выводы термобатареи.
по которой судят о наличии внезапного изменения температуры.
Если температура среды существенно не изменяется, термоЭДС
на концах батареи близка к нулю.
Этот принцип работы использован в датчиках ДСП-1 А, ДСП-038,
ППС-021, ППС-013, разработанных НПО «Термоприбор». В дат-
чиках ДСП-1 А и ДСП-038 при внезапных изменениях температуры
от 20 до 45° С развиваемые термобатареями ЭДС составляют около
8 мВ, от 20 до 88° С — около 16 мВ. Время срабатывания при ско-
рости роста температуры 0,5 К/с — от ПО до 135 с, при 0,7 К/с —
от 65 до 100 с, при 0,8 К/с — 70 с, при 0,9 К/с — 55 с [2]. Датчиком
ППС-013 развиваются ЭДС 40—60 мВ за 1 с при изменении тем-
723
пературы от 60±5° С до 350±5°С и скорости обдува 3—4 м/с или
при охвате пламенем. При скорости нарастания температуры 2,5±
±0,5 К/с ЭДС развивается за 60 с. Термобатарея ППС-013 состоит
из 11 хромель-копелевых термопар, малоинерционные спаи —
шарики диаметром 1 мм, инерционные — диаметром 3 мм, сопро-
тивление батареи 1—20 Ом; внешний вид и конструкция датчика
приведены на рис. XV. 23. Датчики могут быть установлены в аг-
рессивных и взрывоопасных средах, контролируемая площадь не
менее 15 м2 при установке на высоте не более 4 м.
§ 6. Приборы для измерения температуры
вращающихся тел
Принцип работы приборов основан на измерении температуры
пограничного слоя воздуха у нагретой поверхности вращающегося
тела.
Рис. XV.24. Схема датчика температуры ДТВ-074:
/—изоляционная плата; 2 — контактная головка термопары; 3 — ци-
линдр со стяжными пружинами; 4 — основание; 5 — защитный корпус;
6 — опорный ролик из фторопласта; 7 — изоляционная плата.
Рис. XV.25. Внешний вид датчика температуры ДТВ-074.
В НПО «Термоприбор» для измерения температуры рабочих
валков прокатных станов диаметром 400 мм и более разработан
датчик температуры ДТВ-074 [4]. Схема прибора приведена на
рис. XV. 24, внешний вид — на рис. XV. 25. Приемной поверх-
ностью, разогреваемой воздухом до температуры валков, является
тонкостенная чашка, запрессованная в изоляционную плату. К
внутренней поверхности чащки припаяна хромель-копелевая тер-
724
мопара, изготовленная из проволоки диаметром 0,2 мм. Приемная
поверхность окружена двумя тепловыми экранами, образующими
закрытый объем воздуха, находящегося в термодинамическом рав-
новесии с исследуемой поверхностью. Датчик снабжен механизмом
установки зазора (0,2 мм) между приемной поверхностью и валом.
Прибором измеряется температура в интервале от 30 до 150° С при
вращении валков с линейной скоростью не более 35 м/с. Основная
систематическая ошибка датчика обусловлена разностью темпера-
тур между измеряемой и приемной поверхностями датчика. Она
Рис. XV.26. График системати-
ческих погрешностей датчика
ДТВ-074 [6].
Рис. XV.27. Схема прибора для
измерения температуры вращаю-
щихся тел фирмы «Hartman und
Braun»:
/ — термопара; 2 — измеряемый
объект; 3 — измерительная камера;
4 — вентилятор; 5 —» крыльчатка для
охлаждения электродвигателя; 6
электродвигатель; 7 — штанга креп-
ления прибора; 8 « колодка для то-
копровода.

1
определяется из графика, приведенного на рис. XV. 26. Габаритные
размеры прибора 185 X 145 X 75 мм. Для уменьшения погреш-
ностей применяют регулируемый электрический нагрев защитного
корпуса до температуры, близкой к температуре измеряемого объ-
екта.
Фирмой «Hartman und Braun» разработан прибор для измере-
ния температуры вращающихся тел, в котором использован вен-
тилятор для перемешивания пограничного слоя воздуха в измери-
тельной камере [6]. Температура воздуха измеряется железо-
константановой термопарой. Вентилятор приводит в движение
электродвигатель (рис. XV. 27). Преимуществом прибора является
сравнительно высокая точность измерения температуры, недостат-
ком сложность конструкции. Масса 2,5 кг, габаритные размеры
185 X 105 X 75 мм.
ЛИТЕРАТУРА
1.	Анатычук Л. И. Вихревые термоэлектрические токи и возможности их
практического использования; Дис. д-ра физ.-мат. наук.=» Черновцы. 1973.-^
276 с.
725
2.	Власов В. П. Исследование дифференциальной термопарной батареи.—Из-
мер. техника, 1964, № 6, с. 32.
3.	Геращенко О. А. Основы теплометрии.— Киев: Наук, думка, 1971.—191 с.
4.	Датчик, температуры ДТВ-074. Техническое описание и инструкция по экс-
плуатации.— Львов: НПО «Термоприбор», 197 5.— 11 с.
5.	Костылев В. М. Расширение диапазона измерений термопарных манометров —
ПТЭ, 1965, № 5, с. 240 — 241.
6.	Портак Р. А., Лах В. И., Стаднык Б. И., Полищук Е. С. Вопросы повыше-
ния точности измерения температуры рабочих поверхностей вращающихся
объектов.—В кн.: Новые исследования в термометрии. Львов, с. 142 — 147.
7.	Солоницын Ю. П. Аналитическое выражение с градуировочной кривой тер-
мопарного вакуумметра.—ПТЭ, 1972, № 3, с. 170 — 171.
8.	Состояние разработок ИТТФ АН УССР в области теплометрии.— Киев,
1975.— 10 с. (ИТТФ АН УССР/Информ. письмо).
9.	Черкасский А. X. Термоэлектрический насос.— М.: Машиностроение.
1971 — 216 с.
10.	Goldsmid Н. J. A d. -с. transformer based on the thermoelectric effects.—J. Sci.
Instrum., 1966, 43, N 10, p. 774 — 775.
11.	Goldsmid H. J, A hybrid thermoelectric — thermomagnet ic transformer.—»
J. Phys. D; Appl. Phys., 1971, 4, N 1, p. LI — L3.
12.	Teagan W. P. Multifoil thermocouple gauge for measuring pressures up to
1 atm—Rev. Sci. Instrum., 1968, 39, N 12, p. 1897- 1898.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Международная система единиц (СИ)
Таблица 1
Величина		Единица измерения	Л Обозна- чение
	Основные единицы		
Длина Масса Время Сила электрического тока Термодинамическая темпе- ратура Сила света		метр килограмм секунда ампер кельвин свеча, канделла	М КГ с А К кд
	Дополнительные единицы		
Плоский угол Телесный угол		1	радиан 1	стерадиан	I рад 1 ср
	Производные единицы		
Площадь Объем Частота Плотность Линейная скорость Угловая скорость Линейное ускорение Угловое ускорение -		квадратный метр кубический метр герц килограмм на кубический метр метр в секунду радиан в секунду метр на секунду в квадрате радиан на секунду в квадрате	M2 м3 Гц кг/м3 м/с рад/с м/с? рад/с2
727
Продолжение табл. 1
Величина		Единица измерения	Обозна- чение
Сила		НЬЮТОН	н
Давление		ньютон на квадратный метр, паскаль	Па
Динамическая вязкость		паскаль-секунда на. квадратный метр	Пая с/м2
Кинематическая	вязкость	квадратный метр на секунду	м2 /с
Работа, энергия во тепла	количест-	джоуль	Дж
Мощность		ватт	Вт
Количество ства	электриче-	кулон	Кл
Электрическое ние	напряже-	вольт	В
Напряженность ческая	электри-	вольт на метр	В/м
Электрическое ление	сопротив-	ом	Ом
Электрическая емкость		фарада	Ф
Магнитный поток		вебер	Вб
Индуктивность		генри	Г
Магнитная индукция		тесла	Т
Напряженность го поля	магнитно-	ампер на метр	А/м
Магнитодвижущая сила		ампер	А
Световой поток		люмен	лм
Яркость		свеча на квадратный метр, нит	нт ✓
Освещенность		люкс	лк
728
Единицы измерения и соотношения между ними в различных системах [5]
1. Механические единицы
Таблица 2
Величина	си	Величина кратная или в другой системе				
Длина	метр, м	О' ангстрем, А	нанометр, нм	микрометр, мкм	миллиметр, мм	сантиметр, см
	1	10м	ю9	10е	ю3	10?
Сила *	ньютон ,Н	дина, дин	стен, сн	килограмм-сила, кгс	—	—
	1	105	10~3	0,10197	—	—
Работа и энергия	джоуль, Дж (Вт • с)	эрг	килограмм-сила -метр, кгс • м	ватт-час, Вт • ч	калория, кал	электронвольт, эВ
	1	107	0,10197	2,7778 • 10~4	0,23889	6,2419 • 1018
Мощность	ватт, Вт	эрг в се- кунду, эрг /с	килограмм-сила -метр в секун- ду, кгс • м/с	лошадиная сила, л. с.	калория в секунду, кал/с	
	1	107	0,10197	1,3596 • 10~3	2,3884 . 10-1	—
Продолжение табл. 2
Величина	СИ	$ Величина кратная или в другой системе				
Давление	ньютон на квад- ратный метр, паскаль, Па	бар, бар	атмосфера физическая, атм	атмосфера техническая, ат	миллиметр рт. ст. (торр), мм рт. ст.	дина на квадрат- ный сантиметр, мкбар
	1	1(Г$	9,8692 • 10~6	1,0197  10~?	7,50 • 10~3	10
2. Тепловые единицы
Величина	си	Тепловые единицы, основанные на калории	Коэффициент пере- вода в единицы СИ
Количество теплоты Теплоемкость Удельная теплоемкость Удельная теплота плавления, испарения Температурный градиент Тепловой поток Поверхностная	плотность теплового потока	джоуль, Дж джоуль на кельвин, Дж/К джоуль на килограмм- кельвин, Дж/(кг К) джоуль на килограмм,' Дж/кг кельвин на метр, К/м ватт, Вт ватт на квадратный метр, Вт/мВ	калория, кал калория на кельвин, кал/К калория на грамм-кельвин, кал/(г • К) калория на грамм, кал/г калория на секунду, кал/с калория на квадратный сан- тиметр-секунду, кал/(см2 • с)	4,1868 4,1868 -4,1868 • 103 4,1868 . 103 4,1868 4,1868 • 104
Коэффициент теплопередачи Коэффициент теплопровод- ности Коэффициент температуропро- , водности	ватт на квадратный метр- кельвин, Вт/(м2 • К) ватт на метр-кельвин, Вт/(м • К) квадратный метр на секунду, м2/с	калория на квадратный санти- метр-секунду-кельвин, кал/(см2 • с • К) калория на сантиметр-секу иду- кельвин, кал/(см • с • К) квадратный метр на час, Н2/ч	4,1868 • 104 4,1868  102 2,7778 • 10~4
3. Электрические и магнитные единицы
Величина	Коэффициенты перевода и размерности в различных системах			
	СИ, МКСА	сгсэ	сгсм	сгс
Сила тока	ампер	см3/2 . г1/2 . с-2	см1/2 • г1/2 . с-1	см3/2 . г*/2 . с-2
	1А	3 .109	КГ"1	3 • 109
Количество электри- чества	кулон (с • А)	см3/2 . г1/2 . с-1	см1'2 . г1/2	см3/2 . г1'2 . с-1
	1 Кл	3 • 109	КГ*	3109
Разность потенциа- лов	м2 • кг • с-3 • А~х	СМ1'2 . г1/2 . с-'	см3'2 . г1/2 . с-2	см|/2 . г1'2 . с-1
	1В	3,34 • КГ3	108	3,34 • 1СГ3
g	r	Продолжение табл, 2					
ю	Величина	Коэффициенты перевода и размерности в различных системах			
		МКСА	сгсэ	сгсм	сгс
	Электрическая ем- кость	фарада, м~? • кг-1 • с4 • А?	сантиметр, см	см~* • сЗ	сантиметр, см
		1Ф	8,99 • ЮН	10-9	8,99 . 10п
	Электрическое соп- ротивление	ом, м2 • с~3 • А~? • кг	СМ""* • с	см • С~®	см-1 • с
		1 Ом	1,11 .10"~*2	109	1,11 • 10-1?
	Напряженность электрического поля	м • кг • с"3 • А-1	см-1/2 . Г1'2 . с-1	см1/2 • г1/2 • с~?	см~1/2 • г1/2 • с”"1
		1 В/м	3,34 . 10"~б	106	3,34 • 10~5
Магнитный поток	вебер, м* • кг • с~? . д-1
	1 Вб
Магнитная индук- ция	тесла, кг • с"? . д-1
	1Т
Напряженность маг- нитного поля	ампер на метр
	1 А/м
см1/2 • г1/2	максвелл, СМ3/2 • Г1/2 • с"”1	максвелл, см3/2 . г1/2 . с-1
3,34 . IO'?	108 Мкс	108 Мкс
СМ-3/2 . г1/2	гаусс, см“1/2 • г1/2 • с“!	гаусс, см-1/2 . г1/2 . с-1
3,34 . 10“?	104 Гс	104 Гс
см,/2 . г^2 . с-2	эрстед, см-1'2 . г1/2 • с-1	эрстед, см“1/2 • г1/2 • с”1
3,77 • 108	1,26 • 10-? Э	1,26 • IO'? Э
Таблица 3
Физические постоянные [5]
Величина	Значение	Размерность
Скорость света Заряд электрона Постоянная Планка Число Авогадро Масса электрона Электронвольт Число Фарадея Газовая постоянная Постоянная Больцмана Постоянная Стефана- Больцмана	2,99792458 (12)* 1,6021892 (46) 6,626176 (36) 6,0220943 (61) 9,109534 (47) 0,5110034(14) 1,6021892 (46) 1,6021892 (46) 2,4179696 (63) 8,065479 (21) 8,065479 (21) - 9,648456 (27) 8,31441 (26) 1,380662 (44) 5,67032 (71)	108 М/С 10-19 Кл 10 34 Дж • с 102в кмоль-1 10~31 кг МэВ 10~19 Дж 10-12 эрг 10-14 Гц 105 м—1 103 см-1 107 Кл • кмоль-1 103 Дж/(кмоль«К) 10~23 Дж/К 10-8 Вт/(м2 • К4)
* Цифры в скобках -а стандартные отклонения в последних двух цифрах
числа.	%
Плотность веществ [4, 5]
Таблица 4
Вещество	Плотность ро- 10—3, кг/м3	Вещество	Плотность р» • 107", кг/м3
Элементы при 20° С		Магний (5° С)	1,741
Алюминий	2,70	Медь	8,93
Висмут	9,747	Молибден	9,01
Вольфрам	18,6—19,1	Натрий	0,9712
Галлий (32° С)	6,093	Никель	8,6—8,9
Германий	5,46	Ниобий (15° С)	8,4
Железо	7,87	Олово белое	7,29
Золото	19,3	Платина	21,37
Индий	7,28	Рений	20,53
Иридий	22,42	Родий	12,-44
Кадмий	8,648	Ртуть	13,546
Калий	0,87	Рубидий	1,532
Кобальт (21° С)	8,71	Свинец	11,342
Кремний	2,42	Селен кристалличе-	
Литий	'0,534	ский	4,5
734
Продолжение табл. 4
Вещество	Плотность Ро • 1 о— кг/м3	Вещество	Плотность РО • Ю-«, кг/м*
Селен аморфный Серебро Стронций Сурьма Тантал Теллур кристал- лический Углерод (алмаз) Углерод (графит) Уран (13° С) Хром Цинк Газы при 0° С и ст., кг/ Азот Аргон Водород Воздух Гелий Закись азота Кислород Криптон Ксенон Метан Неон Озон Окись азота Пропан Жидкости пр Ро • Ю-2 Ацетон Бензин Бензол (0° С) Вода (4° С) Глицерин Керосин Масло машинное Метилацетат Спирт этиловый Углерод четырех- хлористый Эфир (0°С)	4,8 10,42—10,59 2,54 6,618 16,6 6,25 3,52 2,25 18,7 7,1 6,92 760 мм рт. м3 1,2505 1,7839 0,08987 1,2928 0,1785 1,978 1,42904 3,74 5,89 0,7168 0,8999 2,22 1,3402 2,0037 ш 20° С, кг/м3 0,792 0,68—0,72 *0,899 1,00 1,26 0,82 0,9-0,92 0,9274 , 0,7893 1,595 0,736 е	_ Сплавы при 20° С по массе, р0 • 10~ Альни Альнико Баббит (80% Sn) Бронза оловянистая (Си, Sn) Бронза фосфористая (92,5% Си, 7% Sn, 0,5% Р) Дюралюминий Инвар (63,8% Fe, 3,6% Ni, 0,2% С) Константан (60% Си, 40% Ni) Латунь (66% Си, 34% Zn) - Магналиум (90% Ас, 10% Mg) Манганин (84% Си, 12% Мп, 4% Ni) Монель-металл (71% Ni, 27% Си, 2% Fe) Медь бериллиевая Мю-металл Нейзильбер Нихром Пермаллой - Припой (70% Sn, 30% Pb) Платино-иридиевый сплав (90% Pt, 10% Ir) Сплав Вуда (50% Bi, 12,5% Cd, 25% Pb, 12,5% Sn) Сталь Другие вещества и Ро • 10-^ кг Асбест Бумага Камфора Картон	состав 3 кг/м3 • 6,9 7,1 7,3 8,6—9,3 8,7-8,9 2,79 8,00 8,88 8,4-8,7 2,5 8,5 8,9 8,2 8,8 8,4 8,4 8,6 . 8,3 21,62 9,70 7,5-8,0 материалы, /м3 2,0—2,8 0,7-1,15 0,99 0,69
735
Продолжение табл. 4
^Вещество	Плотность Ро • 10-8, кг/м3	Вещество	Плотность Ро • Ю~8, кг/м3
Каучук чистый	0,906	Пробка	0,22—0,26
Каучук техниче- ский	0,911	Резина мягкая Резина твердая	1,1 1,19
Каучук мягкий вулканизиро- ванный	0,923	Резина чистая Слюда Смола	0,91—0,93 2,8 1,1
Кварц кристал- лический Кварц плавле- ный	2,6 2,6	Стекло пирекс Стекло обыкновен- ное Стекло флинтглас	2,25 2,4-2,8 3,9—5,9
Кварц прозрач- ный	2,2	Снег (рыхлый) Фарфор	0,12 2,3—2,5
Лед	0,92	Фибра Целлулоид	1,45 1,4
Окись бериллия	1,9-2,9	Эбонит	1,15-1,2
Плексиглас ИШТША		1,18 	.gj		Янтарь	1,1
Таблица 5
Теплоемкость веществ Ср • 10~3, Дж К кг • К) [4, 5]
Вещество	t 0 С	с/	Вещество	t, °C	Ср«
t	~ Элементы			Галлий твер-	12-23	0,33
			дый		
Алюминий	0	0,88	Германий	0-100	0,31
Висмут	22—100	0,13			
			Железо	0—1100	0,64
Вольфрам	20—1,00	0,14			
736.
Продолжение табл, 5
Вещество	t, ° С	•и cp4i	Вещество	1, °C	Ср'л
Золото	18-99	0,13	Керосин	20	2,0
Индий	0—100	0,24	Масло техни-	20	2,0
Иридий	18—100	П,13 ’	ческое		
Кадмий	0	0,28	Сплавы		
Калий	27	0,78			
Кобальт	15—630	0,51	Алюмель	0	0.52
Кремний	77	0,76	Инвар	—	0,50
Литий	0-100	0,39	Манганин	18	0,41
Магний	18-99	1,03			
Медь	0	0,38	Монель	20-1300	0,53
Молибден	15-91	0,30	Фосфористая	20—100	0,37
Натрий	0	1,18	бронза		
Никель	0	0,44	Хромель	—	0,45
Олово	0	0,22	Другие вещества		
Платина	18—100	0,13	и материалы		
Ртуть	0	0,14	Асбест	20—98	0,82
Родий	10—97	0,24			
Свинец	0	0,12	Бумага	—	1,5
Селен	22-62	0,35	Каучук	20	1,6
Серебро	0	0,23	Кварц		0,89
Сурьма	17—92	0,21		20	
Тантал	58 *	0,15	Пирекс	20-100	0,71
Теллур	15-100	0,20	(стекло)		
Углерод	И	0,67	Плексиглас	20	1,4
(графит)					1,5
Углерод (алмаз)	22	0,51	Пробка	0-100	1,7
Уран	0	0,12	Резина вулка-	20	2,1
Хром	0—26	0,20	низированная		
Цинк	0	0,38	Слюда	20	0,88
Жидкости			Фарфор	95	1,0
Бензин	I 20	2,06	Эбонит	20	1,4
Глицерин	|	| 15-50	2,41		j		
24 9-413
737
Теплопроводность веществ
1.	Теплопроводность элементов [8]
Элемент	Коэффициент		
% Алюминий Висмут Вольфрам Галлий Германий Железо Золото Индий Иридий Кадмий Калий Кобальт Кремний Литий Магний Медь Молибден Натрий Никель Ниобий Олово белое Платина Рений Радий Ртуть ' Рубидий Свинец Селен Серебро Сурьма Тантал Теллур Углерод (графит)* Уран Хром Цинк	197 (—173) 12 (—200) 232,5 (—190) 41 (0) 105 (-100) 151 (-190) 500 (—239) 90 (-243) 151 (-100) 550 (-266) 110 (-53) 37,5 (—173) 167 (0) 71 (—50) 180 (-203) 600 (—210,2) 205 (-173) 142 (—150) 127 (—173) 49 (—173) 80,4 (—160) 77,8 (—190) 50,2 (20) ’ 211 (-190) 48 (—173) 108 (20) 47,3 (—200) 0,13 (25) 422 (-100) 23 (—100) 63 (-173) 3,64 (0 монокр.) 114(20) 17,8 (—73) 72 (—73) 111 (20)	207 (27) 8 (20) 130 (27) 33 (27) 60,3 (0) 75 (0) 330 (—100) 88 (20) 148 (0) 96 (—100) 100 (7) 70,9(17) 25,9(1414) 71 (182 тв.) 165 (0) 395—402 (20) 169 (-73) 143 (—53) 92 (20) 50 (—73) 74 (—100) 74,1 (20) 125 (18) 29,6 (-73) 40,6 (-100) 418 (27) 23 (20) 63 (-73) 58,15 (20) 86 (200) 22,5 (27) 67 (27) 110(100)	233 (327) 7-8,8 (270) 126 (327) 26 (31) 13,4 (957) 68 (127) 310 (0) 71,5 (40) 138 (20)' 93 (20) 90 (63,4) 94,0(97) 42,8 (182 ж.) 112(500) 373 (300) 162 (27) 133 (27) 83 (100) 53 (27) 65 (20) 75,3 (300) 120 (100) 7,639 (-38,87 ж.) 34,89 (20) 362 (300) 17(100) 63 (27) 1,38 (452 кр.) 61 (600) 26,5(127) . 58 (127) 59 (419)
♦ В скобках приведены значения температуры в °C.
** Приведен коэффициент теплопроводности реакторного графита плот
направления прессования коэффициент теплопроводности обычно в 1,5 раад
738
Таблица 6
теплопроводности, Вт/(м • К) *
282 (627)	62 (927)				
11,3 (271 ж.)	14 (300)	15 (400)	17(600) '	19 (800)
115 (927) •	101 (1827)	92 (2427)	88 (3650 тв.)	—
27 (100)	—	—	—	—
--	1		мм		 '
50 (427) 310 (100)	41 (727)	39 (1127)	35,6 (1530)	—
71,0 (140)	—	—	—	—
143 (100)	——	—	—	—
91,9(100)	45,2 (321 ж.)	44 (700)	—	—
49 (63,9)	38 (527)	29 (827)	21,1 (927)	—
117(297)	126,8 (497)	107 (797)	66 (1097)	—
52,9 (627)	62,1 (1027)	160 (1427)	—	- —
130 (649)	100 (651)	98 (900)	—	—
321 (900)	301 (1083 тв.)	—	—	—
158 (327)	158 (727)	114 (1227) '	100 (2127)	—
123 (97)	84 (98)	72 (377)	43 (927)	—
68 (300)	62 (500)	58 (700)	56(900)	55 (1300)
59 (327)	67 (727)	76(1227)	91 (1827)	—
60(100)	34,3 (232 ж.)	33,8 (300)	33,1 (400)	32,5 (500)
83,7 (1000)	90(1755 тв.)	100 (3000)	—	—
—	—	—			
8,447 (20)	9,475 (100)	11,69 (300)	14,04 (600)	14,98 (800)
28,14 (300)	15,9 (327,3 ж.)	15,58 (600)	19,77 (800)	—
		1	 1		 1		——
5,82 (960 тв.)	—	—	—	—
17 (300)	21,8 (630 ж.)	21 (700)	20,9 (730)	—
68 (527)	74 (927)	86 (1527)	100 (2427)	110 (3000)
47 (900)	40 (1200)	34 (1500)	25 (1800)	—
31,8 (327)	32,4 (627)	22,4 (927)	13,7(1137)	13,8 (1227)
50 (227)	45 (327)	35 (527)	31 (727)	29 (1127)
57 (619)				
ностью (1,65 —1,72)•103 кг/м3 перпендикулярно направлению прессования. Вдоль
выше.
24*
739
2. Теплопроводность газов, х • 10, Вт/(м • К), при раз
т к	Воздух	Аргон	Углекислый газ	Гелйй
50	0,046	0,0326	—	0,462
^60	0,055	0,0392	—	0,521
70	0,065	0,0456	—	0,578
80	0,0738 '	0,0522	—	0,631
90	0,0830	0,0587	—	0,679
100	0,0922	0,0652	—	0,730
150	0,1375	0,0957	—	0,950
200	0,1810	0,1244	0,0953	1,151
250	0,2226	0,1515	0,1289	1,338
273,15	0,2408	0,1635	0,1457	1,415
300	0,2614	0,1772	0,1662	1,499
350	0,2970	0,2013	0,2050	1,649
400	0,3305	0,2233	0,2441	1,795
450	0,3633	0,2441	0,2834	1,947
500	0,3951	0,2638	0,3228	2,114
600	0,456	0,301	0,403	2,47
700	0,513	0,336	0,487	2,7Я
800	0,569	0,369	0,560	3,07
900	0,625	0,398	0,621	3,35
1000.	0,672	0,427	0,680	3,63
1100	0,717	0,454	0,733	3,89
1200	0,759	0,481	0,780	4,16
1300	0,797	0,508	—	4,43
1400	0,835	0,535	—	4,69
1500	0,870	0,561	—	4,94
2000	—	0,692	—	6,20
2500	—	0,815	— „	7,39
3000	—	0,938	—	8,51
4000	—	1,182	—	10,64
5000	—	1,429	—	12,71
740
Продолжение табл. 6
личных температурах [9]
Водород	Криптон	Неон	Азот	Кислород	Ксенон
0,361	—	0,128	0,0485	0,045	—
0,426	—	0,148	0,0570	0,054	—
0,489	—	0,168	0,0670	0,063	—
0,552	—	0,186	0,0762	0,072	—
0,614	— '	0,204	0,0852	0,0813	—
0,676	0,034	0,222	0,0941	. 0,0905	—
0,986	0,0501	0,303	0,1385	0,1376	0,029
1,280	0,0653	0,375	0,1826	0,1824	0,0386
1,560	0,081	0,438	0,2222	0,2254	0,0476
1,681	0,0866	0,464	0,2398	0,2451	0,0516
1,815	0,0942	0,493	0,2598	0,2674	0,0562
’ 2,033	0,1077	0,544	0,2939	0,3036	0,0646
2,212	0,1207	0,590	0,3252	0,3240	0,0728
2,389	0,1330	0,634	0,3564	0,377	0,0806
2,564	0,1447	0,678	0,3864	0,412	0,0881
2,91	0,166	0,768	0,441	0,480	0,1025
3,25	0,186	0,844	0,493	0,544	0,1157
3,60	—	0,914	0,541	0,603	—
3,94	—	0,978	0,587	0,661	—
4,28	—	1,046	0,631	0,717	—
4,62	—	1,115	0,672	. 0,771	—
4,95	—	1,181	0,713	0,821	—
5,28	—	1,244	0,754	0,871	—
5,62	—	1,303	0,797	0,921	—
5,97	—	1,360	0,842	0,970	—
7,96	—	1,625	1,146	—	—
—	—	1,88	1,406	—	—
—	—	2,12	1,640	* —	—
—	—	2,55	—	—	—
—	—	2,93	—			—
741
Продолжение табл. 6
3. Теплопроводность металлических сплавов [4, 8]
Сплав	t, °C	X, Вт/(м • К)	* Сплав	t, °C	X, Вт/(м • К)
Алюмель	0	32,7	Хромель	0	16,0
Баббит, Б83	—	33	Латунь Л070-1	27	92
Бронза ОФ 10-1	27	34	Манганин	0	21,7
Инвар	0	11,0	Монель	0	22,1
Константан	0	20,9	Нейзильбер	0	125
Припой пос-зо		39	Нйхром	0	17,1
4. Теплопроводность жидкостей при 0° С [4, 8]
Жидкость	X, Вт/(м • К)	' Жидкость	X, Вт/(м . К)
Ацетон	0,170 -	Масло машинное	0,146
Бензол	0,153	Метилацетат	0,190
Вода	0,565	Спирт этиловый	0,214
Глицерин	0,280	Углерод четыреххлористый	0,112
б. Теплопроводность других материалов [8]
Материал	°C	X Вт/(мХ X К)	Материал	t °C	X В/т(мХ х К)
Асбест волокнис-	- 20	'0,16	Лед	0	2,22
тый			Окись бериллия	—	2,10
Асбестовая вата	—.	0,05	Пробка измель-	50	0,040
Бумага		0,06—	ченная		
		0,12	Пробка прессо-	—	0,066
Вата хлопковая	—	0,026	ванная		
Войлок	—	0,036-	Слюда перпен-	20	0,24
		0,039	дикулярно		
Картон	—	0,14	слоям		
Каучук чистый	50	0,042	Снег	—	0,21
Каучук техниче-	—	0,33-	Фарфор	—	1,05
ский		0,63	Эбонит	—	0,17
742
Продолжение табл, 6
6. Теплопроводность стекол [8]
Стекло	t, °C	Вт/(м . К)	Стекло	tt °C	Вт/(м . К)
Бетол Викор Крон Кварц плав- леный	-78 20 0-100 100	0,129 1,32 0,7—1,4 1,46	Пирекс Стекло Флинт обыкно- венный Хрусталь	20 20 0 20	1,14 0,7—1,4 0,795 0,896
Таблица 7
Коэффициент излучения различных материалов* [2]
Материал	t, »с	8И	Материал	t, ®С	еи
Чистые и с мете Алюминий по- лированный Алюминий с шероховатой поверх- ностью Алюминий сильно окис- ленный Бронза поли- рованная Бронза порис- тая, шеро- ховатая Вольфрам Вольфрамовая нить Висмут поли- рованный	окисленные 1ЛЛЫ 50—100 20—50 50-500 50 50—150 200 600- 1000 1500— 2200 3300 80	> 0,04— 0,06 0,06- 0,07 0,2— 0,3 0,1 0,55 0,05 0,01— 0,16 0,24— 0,3 Г 0,39 0,37	Железо элект- ролитическое, тщательно полированное Железо свароч- ное, тщатель- но полиро- ванное Железо поли- рованное Железо блестя- щее, трав- ленное Железо, свеже-- обработанное наждаком Железо литое, необработан- ное Железо окис- ленное Железо, по- крытое крас- ной ржавчи- ной	.175—225 40-250 400— 1000 150 20 ' 900— 1100 100 125-525 20	0,05— 0,06 0,28 0,14— 0,38 0,16 0,24 0,87— 0,95 0,74 0,78— 0,82 0,61- 0,85
* Излучательная способность дается для направления, совпадающего о
нормалью к поверхности тела.
743
Продолжение табл. 7
Материал	t, °C	еи	Материал	t °C	®и
Железо горяче-	20	0,77	Молибден	600-	0,08—
прокатное	130	0,60		1000	0,13
Железо листо- вое, оцинко- ванное, блес- тящее	30	0,23	Молибденовая нить	1500— 2200 700— 2500	0,19- 0,26 0,1— 0,3
Железо листо- вое, оцинко- ванное, окис- ленное	20	0,28	Манганин блес- тящий, про- катанный Никель техни-	120 100	0,05 0,045
Жесть белая, старая	20	0,28	чески чистый, полированный	200-400	0,07— 0,09
Золото, тща-	200-600	0,02-	Никель, окис-	200-600	6,37—
тельно поли- рованное		0,03	ленный при 600° С		0,48
Золото полиро- ванное	130	0,018	Никелевая про- волока	200— 1000	0,1— 0,2
Латунь поли- рованная Латунь мато- вая, тусклая Латунь листо- вая, прока- танная	200 20—350	0,03 0,22	Никель, нане- сенный на чугунную поверхность	50	0,05
	20	0,06	Никелированное железо непо- лированное	20	0,11— 0,40
Латунь листо- вая, обрабо-	20	0,2	Нихром после прокатки	700	0,25
танная наж- даком Латунь, окис- ленная при 600° С Медь электро- литическая, тщательно по- лированная	200-600 80	0,59— 0,61 0,018	Нихром после пескоструй- ной обра- ботки Нихромовая проволока чистая То же	700 50 500— 1000	0,70 0,65 0,71— 0,79
Медь полиро- ванная Медь окислен-	50—100 50	0,02 0,6-	Нихромовая проволока окисленная	50-500	0,95— 0,98
ная		0,7	Олово блестя-	20-50	0,04-
Медь, окислен- ная до чер- ноты	5	0,88	щее Платина чистая, полированная	200-600	0,06 0,05— 0,10
Медь расплав-	1100—	0,13-	Платина	1000—	0,14-
ленная	1300	0,15		. 1500	0,18
Медь электро- литическая в порошке		0,76	Платиновая проволока	50-200	0,06— 0,07
744
Продолжение табл. 7
Материал	t, °C	®и	Материал	t, °C	®и
Платиновая	500—	0,1-	Сталь никели-	20	0,11
проволока	1000	0,16	рованная ли-		
То же	1400	0,18	стовая		
			Сталь свеже-	20	0,24
Платиновая	900-	0,12-	прокатанная		
лента	1100	0,17	Сталь оцинко-	20	0,28
Ртуть чистая	0—100	0,09-	ванная		
		0,12	Сталь легиро-	500	0,35
Серебро чистое,	200-600	0,02-	ванная (8%		
полирован-		0,03	N1; 18% Сг)		
ное			Сталь нержа-	700	0,45
Свинец блес-	250	0,08	веющая, пос-		
тящий			ле прокатки		
Свинец серый,	20	0,28	Сталь нержа-	700	0,70
окисленный			веющая, пос-		
Свинец окис-	200	0,63	ле песко-		
ленный при			струйки		
200° С			Титан полиро-	200 .	0,15
Сталь мягкая,	1600-	0,28	ванный	500	0,20
расплавлен-	1800			1000	0,36
ная			Титан, окис-	200	0,40
Сталь листо-	950—	0,55—	ленный при	500	0,50
вая, шлифо-	1100	0,61	540° С	1000	0,60
ванная			Хром полиро-	50	0,10
Сталь листо-	750—	0,52—	ванный	500—	0,28—
вая, полиро-	1050	0,56		1000	0,38
ванная			Цинк полиро-	200-300	0,04—
Сталь листо-	50	0,56	ванный		0,05
вая, прока-			Цинк листовой	50	0,20
танная			Цинк, окис-	400	0,11
Сталь листо-	20	0,82	ленный при		
вая, с блес-			400° С		
тящим слоем			Цинк с окис-	1000—	0,50—
окиси			ленной по-	1200	0,60
Сталь с шеро-	50	0,95—	верхностью		
ховатой пло-		0,98	Цинк в порош-	—	0,82.
ской поверх-			ке		
ностью			Чугун полиро-	200	0,21
Сталь ржавая,	20	0,69	ванный		
красная			Чугун обто-	800—	0,60—
Сталь окис-	200-600	0,80	ченный	1000	0,70
ленная			Чугун, окис-	200-600	0,64—
Сталь сильно	50	0,88	ленный при		0,78
окисленная			600° С		
То же	500	0,98	Чугунное литье	50	0,81
			Чугун в бол-	1000	0,95
			ванках		
745
Продолжение табл. 7
Материал	6 °C	•и	Материал	t, ®С .	еи
Чугун ЖИДКИЙ-	1300	0,28	Лак бакелито-	80	.0,93
			вый		
Другие материалы			Лак жаропроч- ный Лед гладкий	100	0,92
Асбест в по-	—	0,40-		0	0,97
рошке		0,60	Лед, покрытый	0	0,98
Асбестовый	20	0,96	крупным		
картон			инеем		
Асбестовая бу-	40—400	0,93—	Резина твердая	20	0,95
мага		0,95	Резина мягкая,	20	0,86
Бумага белая	20	0,7-	серая, шеро-		
		0,9	ховатая		
Бумага, покры-	—	0,93	Сажа ламповая	20—400	0,95—
тая черным лаком			Сажа с жидким	20—200	0,97 0,96
Бумага черная	—	0,94	стеклом		
матовая			Сажа, нанесен-	50-1000	0,96
Вода (слой тол-	0-100	0,95-	ная на твер-		
щиной свыше		0,98	дую поверх-		
0,1 мм)			ность		
Водяная плен-	20	0,98	Слюда, толстый	—.	0,72
ка на метал-			слой		
лической по-			Слюда в порош-	—	0,81-
верхности		0,97	ке, агломери-		0,85
Графит в по-	—		рованном в		
рошке			силикате		
Кварц плавле-	20	0,93	Слюда в тон-	—	0,44
ный, шерохо-			ком порошке		
ватый			Смола			0,79—
Корундовый	80	0,85			0,84
наждак гру-			Снег	—	0,8
 бый			Стекло	20—100	0,94—
Кремний (сили-	—	0,30			0,91
кагель) в по-				250—	0,87—
рошке				1000	0,72
Краски масля-	100	0,92—	»	1100—	0,70—
ные различ-		0,96	Стекло мато-	1500	0,67
ных цветов				20	0,96
Лак черный, матовый	40—100	0,96—	вое		
		0,98	Ткань асбесто-	-	0,78
Лак черный,	20	0,87	вая		
блестящий,			Угольная нить	1000—	0,53
распыленный			Фарфор белый,	1400	
на железо							0,70—
Лак белый	40—100	0,8-	блестящий		0,75
		0,95	Фарфор глазу-	20	0,92
			рованный		
746
Продолжение табл. 7
Материал	t, °C	еи	Материал	t, °C	£И-
Флюорит на- туральный измельченный	—	0,30- 0,40	Шеллак чер- ный, мато- вый	75-150	0,91
Шеллак чер- ный, блестя- щий, на лу- женом же- лезе	20	0,82 *	Эбонит Эмаль Эмаль, лак	20 20	0,89 0,9 0,85— 0,95
Таблица 8
Абсолютные коэффициенты термоЭДС, мкВ/К, для некоторых
металлов в зависимости от температуры [<$]
°C	РЬ	Си	Pt	°с ,	Pb	Си	Pt
—255	-0,74	+0,34	+ 1,81	+ 300		+3,31	-10,9
—240	—0,74	+0,89	+4,04	+ 400	~—	+3,85	— 12,5
—200	—0,75	+ 1,37	+5,88	+ 500	—	+4,39	-14,0
—160	—0,88	+ 1,15	+3,56	+ 600	—	+4,93	— 15,6
—120	-0,99	+ 1,15	+ 1,18	+ 700	—	+5,47	“17,1
— 80	-1,08	+ 1,30	—0,92	+ 800	—	+6,01	— 18,6
— 40	-1,15	+ 1,51	—2,78	+ 900	—	+6,55	—20,1
0	—1,22	+ 1,73	—4,42	+ 1000	—	+7,09	—21,6
+ 20	-1,26	+ 1,86	-5,13	+ 1200	—	+ 17	—24,6
+100	— 1,44	+2,23	-7,3	+ 1400	—		—27,6
+200	—	+2,77	—9,2	+ 1600	—	—	—30,6
Таблица 9
Коэффициенты термоЭДС, мкВ/K, для металлов в зависимости
от температуры. Рассчитаны относительно металла,
приведенного в скобках; для градиента температуры:
|| —параллельного гексагональной оси, ± — перпендикулярного
гексагональной оси [5]
°C	Li(Pt)	Na(Pt)	K(Pt)	Rb(Pt)	Cs(Pt)	Mg(Cu) ||	Mg(Cu) ±
—50 —25	+ 8,3 +ю,о	“7,1 “7,7	—13,0 — 14,4	“8,2 “9,2	“0,1 “0,1	—	—
747
Продолжение табл. 9
°C	Li(Pt)	Na(Pt)	K(Pt)	Pb(Pt)	Cs(Pt)	Mg(Cu) 0	Mg(Cu)±
0	+ 11,5	— 8,3	-15,6	-10,2	+0,1	+3,38	+3,58
25	+ 12,2	— 8,7	—16,6	—11,1	+0,1	+4,05	+4,77
50	+ 11,5	— 9,2	— 17,6	— 7,5	-5,8	+4,59	+5,67
75	+н,о	- 9,7	-16,9	- 8,3	— 4 6	+4,98	+6,30
100	+ 10,4	— 10,4	—18,0	— 8,9	—	+5,24	+6,63
125	+ 9,9	—	-19,1		—	—	—
°C	V(Ag)	Nb(Ag)	Ta(Ag)	Cr(Ag)	Mo(Ag)	°C	Be(Pb)
—240	0,0	+ 1,0	+0,5			+ 4,5	-150	-5,1
-200	+2,3	+3,4	+0,8	+ 1,4	+ 3,0	— 100	-3,8
—100	+ 1,7	+ 1,6	-1,1	+ 7,5	+ Д1	- 50	-3,1
0	+ 1,0	-0,5	—2,3	+20,0	+ 5,9	0	—3,3
+ 100	+0,7	—1,5	-3,3	+ 15,8	+ 8,6	+ 50	—2,0
+200	+0,9	—1,6	-3,5	+ 15,0	+ 11,2	+ 100	—0,3
+300	+ 1,3	—1,6	-3,3	+ 15,8	+ 13,0	+ 150	+0,4
+400		—1,4	—3,0	—	+ 15,0		
°C	Ti(Pt)	U(Pt)	Co(Pt)	Au(Pt)	Rh(Pt)	°C	W(Pt)
0	+7,3	+ 8			+1.1	+0,9	-100	- 1,9
100	+8,1	+ Ю	-32,3	+1.8	+0,8	0	+ 0,2
200	+7,4	+13	—39,8	+2,4	+0,8	100	+ 3,5
300	+4,3	+ 15	—43,5	—	+0,6	200	+ 6,8
400	+ 1,7	+ 18	-46,0	+3,1	+0,5	400	+ 12,6
500	-0,7	+20	-43,0		+0,2	550	15,8
600	-2,1	+20	-39,0	+3,3	0	650	19,2
700	-2,6	+21	—.		—	800	22,3
800	-2,8	+22	-28,8	+3,7	-0,4	1000	25,6
900	+0,6	+23	-22,0	—	—	1100	26,0
1000	+ 1,4	—	—14,0	+3,7	-0,9	1300	23,6
1100		—	- 9,0	—	—.		—
1200	—	—	—	—	—1.5	—	—
748
Продолжение табл. 9
° с	Th(Pt)	° с	Al(Pt)	°C	Fe(Pt)	°C	C(Pt>
400	-2,5	0	-1,6	800	—0,1	1200	- 6,5
500	—4,5	50	—1,8	900	-0,6	1500	- 7,0
600	-6,5	100	—1,9	910	—9,8	1750	0
700	-9,5	150	—1,8	1000	—9,1	2000	+23
800	-13	200	-1,8	1100	-8,1	2200	+ 13,5
900	—16	300	-2,0	Т200	-6,6	2400	- 1,5
1000	-19	400	—2,3	1300	-6,6	2700	— 11
1100	-23	500 60Q 650	1 1 1 СО ЬЭ ЬЭ О 00 СП	1400 1405 1450	' LLL	3100	-15
°C	Pd(Pt)	Ir(Pt)	°C	Ag(Pt)	Ni(Pt)	0 c	Ru(Pt)
0 100 200 300 400 600 800 1000 1200 1400 1500	— 9,6 —13,4 -16,3 -18,8 —21,7 —28,5 —35,3 —41,5 —47 -51 -53	+0,8 +0,2 -o,i -0,6 -0,9 —1,7 —2,4 —3,2 -4,7 —9/)	-40 50 150 250 350 450 550 650 750 850 950 1050	-..++++++++++ I 1 00 *<! *4 СЛ 4^ 00 NO 1	1 W	W	м	м	**	4#	M 00<£>>—СЛ4*СОООЙ^О	~ °®  । I ।	।	CO	t4**	CO CM LO	t4” Illi	I	CM	CM	CM	co co co	co 1	1	1	1 1 1	1	200 250 300 350 400 500 600 700 800 1000 1150 1200 1300	—29,7 -31,7 —32,5 —35,2 —38,8 —42,2 —44,3 -43,3 —43,3 —47 -50 —51 -53,5
Таблица 10
Электрическое сопротивление веществ [4,5]
Вещество	р • 104, Ом • м	Вещество	р • 10*, Ом . м
Элементы пр Алюминий Висмут Вольфрам	и 0° С 2,5 107 4,89	Г адлий Железо Золото Индий Иридий	13,7 8,71 2,065 8,2 4,85
749
Продолжение табл. 10
Вещество	р • 104, Ом • м	Вещество	о . Ю4, Ом • м
Кадмий Калий Литий Магний Медь Молибден Натрий Никель Ниобий Олово Платйна Рений Родий Ртуть Рубидий Свинец Серебро Стронций Сурьма Тантал Теллур Графит Уран (20° С) Хром Цинк Жидкости npt Ом* м Ацетон (—15° С) Бензол Вода (перегнан- ная в вакууме) (18° С) Глицерин (25° С) Масло конденса- торное Масло трансфор- маторное	6,73 6,15 8,54 3,94 1,55* 5,03 4,27 6,141 23,3 10,1 9,81 18,9 4,3 94,7 11,6 19,3 1,468 20 32,1 12,4 2 • 105 800 29 1,5 5,45 i 20° С, 1,1 • 107 1 . 1016 4,4 • 10е 6,44 . 10е 104 104 - Ю4	Сплавы, р • Ю Алюмель Хромель Копель Константан Манганин Сталь нержавею- щая Латунь 1,62 Другие вещества Ом • л Асбест Бериллия окись (600° С) Винипласт Гетинакс Канифоль Каучук Мрамор Слюда мусковит Слюда флогопит Стекло пирекс (200° С) Полиэтилен Смола эпоксидная Текстолит Эбонит Янтарь Кварц плавле- ный Тефлон Оргстекло Полистирол Полихлорвинил Парафин	,4 Ом '• м 30,5 ±4,5 66±5 46,5 ±2,5 45—52' 47-48 6,5—10,2 7,1 ' при 20° С, и Ю8 _ 1010 4 • 106 Ю12 — lol3 10s — 109 1013 — 10й 5 «lol3—1014 10б — 109 1013 Юн — lol2 2 • 109 Ю13 _ 1015 Юн — Ю12 107 — 108 101з — 10х4 До 1017 1013 Ю13 _ Ю15 Ю12 _ 10i4 1015— 1016 1013 — Ю15 104 __ ю14
750
Таблица Г Г
Значения некоторых реперных температурных точек, кроме
тройных, при давлении 101325 Н/м2 [5]
Вещество	Точка	Температура	
		К	•с
Гелий-4	Кипения	4,21	—268,94
Водород (нормаль-	Тройная	13,97	-259,18
ный)	Кипения	20,39	-252,76
Неон	Тройная	24,56	—248,59
	Кипения	27,07	—246,08
Кислород	Тройная	54,36	-218,79
Азот	Тройная	63,14	-210,01
	Кипения	77,35	—195,80
Кислород	Кипения	90,18	-182,97'
Эфир диэтиловый	Затвердевания	156,85	-116,30
Толуол	Затвердевания	178,05	— 95,10
Углекислый газ	Возгонки	194,65	- 78,50
Ртуть	Затвердевания	234,28	- 38,87
Вода	Затвердевания	273,15	0,00
»	Тройная	273,16	0,0100
	Кипения	373,15	100,0
Индий	Затвердевания	429,76	156,61
Нафталин	Кипения	491,15	218,0 .
	Затвердевания	505,05	231,09
Кадмий	Затвердевания	594,18	321,03
Свинец	Затвердевания	600,53	327,3
Ртуть	Кипения	629,73	356,58
Цинк	Затвердевания	692,65	419,505
Сурьма	Затвердевания	' 903,65	630,5
Алюминий	Затвердевания	934	660,1
Серебро	Затвердевания	1234	960,8
Золото	Затвердевания	1336	1063
Медь	Затвердевания	1356	1083
Никель •	Затвердевания	1726	1453
Кобальт	Затвердевания	1765	1492
Палладий	Затвердевания	1825	 1552
Платина	Затвердевания	2042	1769
Родий	Затвердевания	2233	1960
Иридий	Затвердевания	2716	2443
Вольфрам	Затвердевания	3653	3380
751
Таблица 12
Методы коммутации термоэлементов [5]
Материал		Технология коммутации	Сопротивление контакта
ветви термоэле- ' мента	коммута- ционной пластины		
Bi2Te3 — BigSCg (n-тип)	Медь	Пайка припоями: Bi (ГПЛ = 544 К); 99%Bi+ 4-1% Sn (Тпл=538 К); 95% Bi 4-5% Sn (Тпл = =528 К); 90% Bi+10% Sn (Гпл= 508 К). Флюс — стеарин. Контакт обла- дает высокой механи- ческой прочностью	< 10~9 Ом • м2
Bi2Te3 — Sb2Te3 (p-тип)	»	Пайка припоями: 90% Bi+10% Sb (ТПЛ=623К); 80% Bi4-20% Sb; (Tnj~ = 673 К). Флюс: 20% на- шатыря 4- 80% глицери- на. Контакт обладает высокой механической прочностью	< 10""9 Ом • М2
Интерме- таллическое соединение на основе Bi, Sb, Те, Se	»	Пайка припоями: 85% Bi4-15%Sn, 70% Bi 4- 4-30% Sn. Перед пай- кой	осуществляется травление в две стадии: а) в водном растворе безводной СгО3 (55 г СгО8 -j- HNO3, плот- ность 1,18 г/см3, кон- центрация 430 см3/л), длительность операции 10 с; б) в безводном раст- воре СгО3 (1275 г/л), длительность операции 2 мин. Контакт обладает высокой механической прочностью	0,95 . 10-? Ом
752
Продолжение табл. 12
Материал		Технология коммутации	Сопротивление контакта
ветви термо- элемента	коммута- ционной пластины		
Соединение на основе Bi и Те	Sb ИЛИ Sb + Te	Заливка сплавом. За время работы 2100 ч при Тг = 573 К, Тх = 343К мощность термоэлемента уменьшилась на 15% номинальной	—
Bi2Te3 — Sb2Te3 (p-тип)	Константан	Припрессовка комму- тационного материала. Перед припрессовкой константановая прово- лока залуживается со- ставом 10% Sb + 90% Sn	1Q—7 _ 10-8 Ом • м2
PbTe (я-тип)	Никель	Припрессовка комму- тационного материала. Перед припрессовкой никелевая проволока за- луживается составом Sb—Sn или Bi. За время работы 50 ч при АГ = — 300 К сопротивление термоэлемента возросло на 7—8%, через 100 ч работы контакт разру- шается	0,25 • 10'8 Ом • м?
Bi2Te$ — Sb2Te3 (p-тип) PbTe (я-тип)	Порошок NiBi + Ni	Раздельное холодное прессование ветвей тер- моэлемента с последую- щим одновременным го- рячим	прессованием при То = 623 К и р »= = 5 тс/см2. Длитель- ность выдержки в ва- кууме 6 ч. Припрессов- ка одного из сплавов к предварительно спрессо- ванной ветви другого сплава или совместное* прессование при То = = 623 К ир>=5 тс/см?	65 . 10“8 Ом • м? Ю-хо ~ 10'12 Ом • м?
7
753
Продолжение табл. ТТ
Материал		Технология коммутации	Сопротивление контакта
ветви термо- элемента	коммута- ционной пластины		
CrSi2 (р-ТИП) CoSi (п-тип) Sb2Te3 (р-тип) Bi2Te3 (п-тип) ZnSb (р-тип) CoSb (п-тип) PbTe (п-тип)	Порошок NiBi + Ni Никель	Длительность выдерж- ки в вакууме 6 ч. Хо- лодное прессование по- рошка и последующее горячее прессование тер- моэлемента в целом при То 623 К и р = = 5 тс/см2.' Длитель- ность выдержки в ва- кууме ч6 ч. Формирова- ние контакта осуществ- ляется в атмосфере ар- гона при нагревании до 1473 К. За время рабо- ты 1 ч при Тг = 623 К сопротивление контакта резко возросло Гальваническое нане- сение коммутационной пластины. Состав ванны: NiSO4 • 7Н2О (400 г), NiCl2 • 6Н2О (15 г), Н3ВО3 (30 г), CdSO4 (0,03 г), Н2О (1000 мл). Температура 323—333 К, pH s= 3,5 — 4,0, анод — никель. За время рабо- ты 5100 ч при Тг = = 523 К, Тх = 293 К со- противление контакта возросло на 10%, коэф- фициент термоЭДС — на 6-8% Гальваническое нане- сение коммутационной пластины. Состав ван- ны: NiSO4 • 7Н2О (400 г), NiCl2 • Н2О (15	г), Н3ВО3 (30 г), CdSO4 (0,03 г), Н2О (1000 мл)	10~9 Ом • М?
754
Продолжение табл. 12
Материал		Технология коммутации	Сопротивление контакта
ветви термо- элемента	коммута- ционной пластины		
PbTe (р-тип) PbTe (и-тип)	Низколеги- рованные стали	Температура 323— 333 К,	pH = 3,5-4, анод—никель. За время работы 3000 ч при Тг '= =573 К, Тх = 293 К со- противление ветви и£ ZnSb осталось неизмен- ным, за время работы 3500 ч сопротивление ветви из CoSb увеличи- лось на 0,7%, за время работы 4500 ч сопро- тивление ветви из PbTe возросло на 8—10%, коэффициент	термо- ЭДС — на 7—8% Механический прижим- ный контакт в восста- новительной или инерт- ной среде при р « ~ 7 кгс/смЗ и TQ = 643 К. В процессе ра- боты при Тг t= 978 К ^диффузия коммутацион- ного материала в сплав не обнаруживается	10~9 Ом • м?
ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ОХЛАДИТЕЛЕЙ
Программы выполнены на АЛГОЛ-60 в применении к ЭВМ БЭСМ-4 с
транслятором ТА-1М. Использованы стандартные обращения и
программы:
Р1042— ввод исходных данных;
Р0713— обращение к стандартной программе решения трансцендент-
ного уравнения;
Р1041 — печать по строчкам;
Р0740— печать таблиц;
Р1024— условная печать с пульта ЭВМ;
Р1053— программа отыскания корней функции на отрезке, если изве-
стно наименьшее расстояние между корнями;
Р0651 — решение систем нелинейных уравнений.
755
Расчет переходных процессов термоэлектрических охладителей и на-
гревателей по формулам (IV. 125)
]. Begin
2.	Real S, ТО, К, L, Р, X, Т1, Т, N, С, Q, G, II, J, R, РК, СО,
DT, UN, V, D, Е, W, Z, CS, SN;
3.	Array А [1:4], В, U [1:2];
4.	Integer I;
5.	S: = 0.009; ТО: = 300; К: = 0.02; L: = 2 X h — 4; X: = 0. 009;
= ю 3;
6.	Р: = РхО. 833; N: = 0.3; С: = 0.7;
7.	For I: = 1 Step I Until 5 Do Begin
8.	Il: = 48 X S /N; J: = Il/S; Q: = L X J; G: = P X J t 2;
9.	R: = 0.05 X P X N/S; PK: = R/2/S; CO: =C/2/S; W: = 0;
10.	A [1]: = io — 5; A [2]: = 100; A[3]: = io —3; A[4]: = io —7;
В [1]: = ю-1;
11. Zl:;
12.	D: = P0713(A[l], U [1], В [1], Z2, Z3, 1);
13.	UN; = U[1];
14.	If W = 0 Then T: = N t 2/X/UN f 2;
15.	Tl:=0.25xTx I; V: = QxTO —PKX II t 2; J: = GxN;
16.	CS:=Cos (UN); SN:= Sin (UN); D:= V X UN X SN + Jx(CS— 1);
17.	E: = N X (N X (Q — X X UN t 2/N t 2 X CO) + К) X CS —(2
X X XCO+ К X N)X UN X SN;
18.	D:=D/E; E: = UN/N; E: = E f 2; Е: = ХхЕхТ1; Ё: = Exp X
(— E); D: E X D/UN | 2;
19.	If ABS(D)<0. 1/2/N f 2 Then Go To H;
20.	W: = W+D; A[3]:=0.1; UN:=UN + A[3]; B[1]:=UN; A[l]:=
= UN; Go To Zl;
21.	H:; W: = W<[- D; W: = x 2 X N f 2;
22.	DT: = Nx V —JxN/2; DT:=DT/(Qx N + K);
23.	Z: = W+DT; P1041 (Tl, Z); End; Stop;
24.	Z2:; SN: = Sin (B [1]); CS: = Cos (В [1]);
25.	B[2]: = (Q-X x COXB[1] f 2/N f 2)X SN + KXB[l]XCS/N)j
74"
26.	End
Расчет оптимальных параметров термоэлектрических охлаждающих
устройств по формулам (IV. 29)—(IV. 38)
1.	Begin
2.	Real ТО, QO, DQ, A, KS, El, V, В, E, DEI, KS1, DK1, DEB,
DKS, DEV, KV, KSO;
3.	Integer I, M;
4.	Array Q [1: 8], Z [1 :3]; Real K, W;
5.	W: = 70;
6.	Begin
7.	Array Y [1: 2], H, Z [1:4], Al [1 : 68], Bl [1: W], X [1 : 2];
8.	P0042 (X);
9.	M: = 0;
10.	For DQ: =0.02 Step 0.002 Until 0.101 Do Begin
11.	For A: =5 Step 5 Until 20 Do Begin
12.	QO: = 0.6; A: = 5; DQ: = 0.04;
13.	P0042(QO); P0042(LQ);
14.	Z[1]:=A; Z[2]: = QO; Z[3]: = DQ;
756
15.	P0740(Z [1], M, О, 3, 20, 1, 10, 3, 20, 3);
16.	W: = 0.01;
17.	For KS: = 0.005 Step 0.005 Until 0.02005, 0.03 Step 0.01 Until
0.071, 0.1 Step 0.1 Until 0.5 Do Begin
18.	H[l]:=H[2]:=ln-7; H[3]: = H[4]:=lo-5;
19.	P0651 (2, H[1], Al [1], X [1], Yfl], В 1 [1], P, Q);
20.	Go To AB;
21.	Q [1]: = KS1; Q [2]: = XI; Q [3]: = X [2]; Q [4]: = E;
22.	F:;
23^ P0740 (Q [1], M, 0, 4, 10, 3, 10, 3, 10, 8, 10, 8, 11, 8);
24.	End; End; End; Stop;
25.	AB: P1041 (X, Y, E, GO, DQ);
26.	Stop;
27.	KS: = KS1; Co To F;
28.	P:; V: = X[2|; B: = X[1J;
29.	El:=Vx QO — Vf 2/2—DQ; El: = El/(Vx DQ + Vt 2);
30.	DE1: = QO —V—El X (DQ+2XV); DEl:=DEl/(VxDQ+V f 2);
31.	KS1: = (V t 3 X В — V f 2x (2X B + 2X QOX B+l)4-2x V
XQO —2XDQ);
32.	K:=2xDQx(Vx(A-l)-AxVf 2 X В +(A + 1 + 1/B));
33.	E: = El — В X (El X V + 1); W: = (El X V + I) X (A + 1) X В
+ AX Bx V+ 1;
34.	KS1: = KS1/K; E: = E/W;
35.	DK1: = (V j 3 —2x V f 2x (QO+1) + 2 X DQ X KS X (A
X V I 2+ 1/B f 2))/K;
36.	DEB: =-(ElX V4-1)-EX((A+1)X(E1X V4-1)+AX V);
DEB: = DEB/W;
37.	DKS: = 3 X V f 2xB —2xVx(2xB + 2xBxQO+l) + 2
XQO+2X DQ x KSX (A X (2 X V X В — 1) + 1); DKS: = DKS/K;
38.	DEV: = DEI x (1 — В X V) — В X El — E X ((A + 1) X В X (El
+ VXDE1) + A X B);
39.	DEV: = DEV/W;
40.	If I: = 0 Then DK1: = KS1 + В X DK1;
41.	KS1: = В X KS1; DKS: = В X DKS;
42.	Y [1]: =DEB — DEV X DK1/DKS; Y [2]: = KS1 — KS;
43.	G:;
44.	End;
45.	End
Расчет максимальных холодильных коэффициентов многокаскадных
охладителей по формулам (IV. 51), (IV. 61) — (IV. 63)
1.	Begin '
2.	Integer J, I, F;
3.	Real II, 12;
4.	Real A, B, TI, T2, T, G, 3, M, D, Gl, G2, P, К, O;
5.	Array L [1 : 4], E, Z, V [1 : 40], R, S [1 : 9];
6.	Boolean H;
7.	P0042(K, O);
8.	TI: = 120;
9.	P1041 (TI);
10.	For T: =0 Step 20 Until 340 Do Begin
11.	For F: = К Step — 1 Until 10 Do Begin
12.	G: = F;
757
13.	Q:
14.	А: =0. 613;
15.	В: = 0.131;
16.	Т1: = 120;
17.	Р1024 (3, Т2, G, Z [I]);
18.	U: = 1; М: = 1;
19.
20.
21.
22,
23.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
1; М: = 1;
I:=J:=1;
Т2: = G;
Il:=Ax((Tl + T2)/2)f В;
E [J]: =(I1 X T2 — T1)/(T1 — T2) / (Il + 1);
M: = (1 + 1/E[J])XM;
24.	TJ: = (1 + 1/V [J])X U;
25.	J: = J+1;
26.	W:
27.	L[2]: = T2; L [ 1 ]: = 2 x T2 — Tl; L[3]: = 0,l; L [4]: = io — 5;
28.	H: = l;
30.	P1053(L, S, R, C, Cl, H);
31.	P1024(l, Tl, T2, R);
32.	E[J]: = (I1 X R [1] — T2)/(T2 — R [1])/(I1 + 1);
33.	V[J]:==(E[J]—0.02)/1.04;
34.	M: =(1 + 1/E [J]) X M;
35.	U: =(1 + 1/V [J]) x U;
36.	Z [I]: = T2;
37.	If ABS (R [1] — T)<0.1 Then Go To P;
38.	If R [1] > T Then Begin Tl: = T2; T2: = R [1]; I: = I 4-1;
39.	J: = J+l; Go To W; End;
40.	G: = G —0.1;
Co To Q;
P:
l:	= l + l;
Z[I]: = R[1];
X: = 1/(U— 1);
3; = 1/(M —1);
P1041 (А, В, 3, X, I, T, Z, E, V);
End;
End;
Go To N;
C:
Il: = AX ((T2 + S[l])/2)f B;
12: = A X ((Tl + T2)/2) f B;
S[2]:=((I1 f2-l)X S[1]-BX П X (T2 — S [l]))X(I2xT2—Tl)
X (12 X Tl - T2)-((I21 2 - 1)X Tl + В X(T1 - T2) x 12) X (Il
X S [1] - T2)X(I1 X T2 - S [1]); Cl:; .
N:
End
Сведения о расчетах термоэлектрических устройств на ЭВМ при-
ведены также в работах [1, 3, 6, 7].
ЛИТЕРАТУРА
1.	Баранов А. П., Манасян Ю: Г., Соловьев А. Е. Рас четно-теоретические иссле-
дования нестационарных процессов в термоэлектрогенераторах с использова-
нием электронных цифровых вычислительных машин (ЭЦВМ).— ИФЖ, 1969.
17, № 2, с. 285 - 291.
758
2.	Брамсон М. А. Справочные таблицы по инфракрасному излучению нагретых
тел.— М.: Наука, 1964.— 318 с.
3.	Каганов М. А., Привин М. Р. Расчет оптимальных параметров термоэлектри-
ческих охлаждающих устройств.— В кн.: Полупроводники и радиоэлектрони-
ка в агрофизических исследованиях. Л., 1966, с. 134 — 145.
4.	Кей Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных,— М.: Физ-
матгиз, 1962.— 247с.
5.	Манасян Ю. Г. Судовые термоэлектрические устройства и установки.—Л.:Су-
достроение, 1968.— 283 с.
6.	Оганов Э. П., Коклюев Г.А., Зусева Л. П. Расчет параметров термоэлектричес-
кого преобразователя с учетом переменности электро- и теплофизических конс-
тант и теплоотдачи с боковых поверхностей термоэлементов.— Тр. ВНИИ
радиац. техники, 1973, вып. 9, с. 77 — 78.
7.	Раимов Н. 3. Расчет параметров термоэлементов и термобатарей с использова-
нием ЭВМ.— Казань 1973.— 28 с.— Рукопись деп. в ЦНИИТЭИприборострое-
ния, № 115 — 73 Деп.
8.	Таблицы физических величин: Справочник/ Под ред. И. К. Кикоина.— М.:Атом-
издат, 1976.— 1008 с.
9.	Шашков А. Г., Абраменко Т, Н, Теплопроводность газовых смесей.е»М.;Энер«
гия, 1970.— 288 G.
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Актинометры 658
Бриджмена эффект 30
Вакуумметры термопарные 718 .
Ван-дер-Пау метод 231
Вихревые токи 57, 60, 64
Воздухоохладители локальные 457
Гальванотермомагнитные явления:
в анизотропной среде 43
— изотропной среде 31
калорические 52
классификация 32
термодинамические соотношения
33
Генераторы:
на топливе газообразном 359
-----жидком 355
-----химическом 351
— угле и дровах 353
Гигрометры конденсационные тер-
моэлектрические 447
Дилатометр термоэлектрический
455
Добротность:
магнитотермоэлектрическая 118
термомагнитная 108
термоэлектрическая 71, 81, 212
Защита от излучений 387
Замораживающие устройства 474
Зеебека эффект 18
Измерение температуры * вращаю-
щихся тел 724
Изотопные термогенераторы:
для космоса 402
наземные 378, 393
подводные 401
Инерционность 174, 203, 485, 498,
546
Интеграторы 515
Испытательные камеры 449
Кальве микрокалориметры 561
Каскадирование 85, 151
Квадратичность преобразования
485, 503
Классификация:
микрокалориметров 536
преобразователей для измерения
электрических величин 478
приемников излучения 624
термоэлементов 74
эффектов 13
Кондицис^еры:
бытового назначения 469
локальные 469
промышленные 467
убежищ и вагонов 470
Коэффициент полезного действия:
гидравлический 699
источника тепла 352
преобразователя солнечной энер-
гии в тепловую 365
при максимальной мощности 81,
109
регулирующего устройства 380
термоэлемента 80, 89, 95, 97, 109,
112
Криошлем термоэлектрический 464
Криоэкстрактор 461
Крутизна характеристики (чувстви-
тельность) 495, 541
Лабораторные плиты охлаждаю-
щие 455
760
Довушки вакуумные с термоэлек-
трическими холодильниками
447
Льдогенераторы 472
Маджи—Риги—Ледюка эффект-42
Материалы:
для анизотропных термоэлемен-
тов 278
— термопарных элементов 252
------- высокотемпературные
• 273
-------низкотемпературные
252
------ — среднетемпературные
.268
— термоэлектрических насосов
707
— термоэлементов Нернста —
Эттингсгаузена 276
— холодильников Эттингсгаузе-
на 277
—	токозамыкающих шин 707
Метод уточненных тепловых балан-
сов 82
Методы:*
измерения анизотропии термо-
ЭДС 240
---- электропроводности 243
—	добротности 239
—	теплопроводности 237
—	электропроводности 230
повышения добротности мате-
риалов 211
Микрокалориметры:
адиабатические 592
• изотермические 589
кондуктивные 541
проточные 601
Микроклиматические камеры 456
Микроскопные столики с охлажде-
нием 445
Микрохолодильники лабораторные
449
Минимально обнаруживаемые сиг-
налы 545
Модули термоэлектрические 420
Нагрев термоэлектрический (пере-
ходные процессы) 203
Насосы тепловые 74, 122, 198
— термоэлектрические 697
Нернста эффект 34
Нернста — Эттингсгаузена попереч-
ный эффект 37
-----•----в сильном магнитном
поле 38
----------в слабом магнитном
поле 38
-----продольный эффект 39
Нестандартные термопары:
высокотемпературные 339
низкотемпературные 326
среднетемпературные 336
Нуль-термостаты 451
Осмометр 456
Осушитель трансформаторов 456
Отопительный коэффициент 199
Охладители:
балансомеров 448
бутылок 473
диафрагм 445
диодов 439
лазеров 474
параметрических усилителей 437
питьевой воды 456, 472
реакционных стаканов и проби-
рок 455
рентгенорадиометрических и гам-
маспектрометрических детекто-
ров 445
транзисторов 439
физиологического раствора 465
фоторезисторов 440
фотоумножителей 443
шампанского 473
Охлаждающие блоки, встроенные
в мебель 473
Охлаждение:
гальваномагнитное 157
нестационарное 174
оптимальное управление 188
режим нестационарный 174
— комбинированный 184
— многоступенчатый комбини-
рованный 186
— оптимальный ток — прямо-
угольный импульс 185
— оптимальный ток — экстре-
мальный ток 187
— экстремального тока 182
Параметры микрокалориметров
высокотемпературных 561, 578,
600
761
-----среднетемпературных 564,
572, 574, 597
— — низкотемпературных 575, 594
— приемников излучения 611
Пельтье эффект 25
-----в анизотропной среде 27
-----:--изотропной среде 26
Перегрузочная способность 498
Пиранометры 662
Пиргелиометры 659
Пирометры 646
Поперечная ЭДС 21
Порог чувствительности 541
Порошковые материалы 218
Потери контактные 82, 126
— коммутационные 127
Преобразователи:
многоэлементные 519
—	дифференциальные 526
—	на растяжках 529
— с полупроводниковыми эле-
ментами 527
одноэлементные воздушные 486,
520
— вакуумные 490, 492
— высокочастотные 508
Прибор для определения темпера-
туры воспламенения 455
-----зонной очистки 455
-----испытания - красок и масел
456
.----скалывания стеклянных тру-
бок 455
-----сублимационной сушки 456
Приемники излучения:
для абсолютных измерений и ра-
диации 656
— определения энергетической
освещенности 653
— спектральных работ и дози-
метрии 658
компенсированные 634
лазерного быстродействующие
пленочные 684
— многоэлементные 683
— с жидкими поглотителями 681
------коллекторами плоскими
670
-------комбинированными 680
-------коническими 675
-------отражающими 682
-------сферическими 678
-----компенсацией разогрева
коллектора 688
— — проточной жидкостью 687
пленочные 633, 638
полостные 621, 632
с анизотропными термоэлемен-
тами 664
— полупроводниковыми термо-
парами 630
— проволочными термоэлемен-
тами 634, 642
Промышленные термопары 304
Радиационные балансомеры 663
Радиометры 642
Реакторные термогенераторы 409
Риги — Ледюка эффект 41
Сигнализатор обледенения 454
Сигнализаторы внезапных измене-
ний температуры 723
Солнечный термогенератор без оп-
тических концентраторов 368,
375
— — с аккумуляторами тепла 377
-------оптическими концентра-
торами 369
Составные термоэлементы 85
Сплавы металлические термоэлек-
трические 274
Столики микротомные 465
Теплоизоляция 387
Тепломеры:
с датчиками одиночными 714
-----батарейными 716
Теплообмен на спаях 134
Термобатареи приемников излуче-
ния унифицированные 641
Термозонд охлажденный 449
Термомагнитные явления:
классификация 35, 36, 43
термодинамические соотношения
13
Термод 462
Термопары стандартные 287
Термопробник 456
Термостаты 449
ТермоЭДС:
Бенедикса 19
в анизотропной среде 21
—	изотропной среде 18
—	неоднородной среде 20
методы измерения 227
механизмы возникновения 22
Термоэлектрические явления 18
762
Термоэлектрическое преобразова-
ние 57
------среды и воздействия- 63
Термоэлементы:
анизотропный 88
вихревой 93
— кольцевой 93
— спиральный кольцевой 95
----прямоугольный 96
классификация 74
короткозамкнутый анизотропный
— поперечного типа в магнитном
поле 115
— продольного типа в магнитном
поле 114
Нернста — Эттингсгаузена 106
----прямоугольный 106
---- спиральный 112
----экспоненциальный ПО, 162
слоистый 103
термопарный 77
Эттингсгаузена 157
Юсти 87
Томсона эффект 28
------г- в изотропной среде 29
------неоднородной среде 29
Трансформаторы термоэлектриче-
ские 721
Холодильники:
автомобильные 459
бытовые 470
для железнодорожного транспор-
та 458
— нейрохирургии 464
— пластической хирургии 462
—	подводных лодок 459
—	самолетов 461
— церебральной гипотермии 464
судовые 460
Частотные погрешности 504
Чувствительность:
интегральная 511
— токовая 541
Эттингсгаузена эффект 33
Эффект продольный гальванотер-
момагнитный 35
-----к градиенту температуры в
магнитном поле 42
— термомагнитный в анизотропной
среде вольтаический 45
-------------термоградиентный
45
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие.......................................................   з
Основные условные обозначения и сокращения.......................... 5
ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА
Глава I. Классификация термоэлектрических, термомагнитных и гальва-
нотермомагнитных явлений .......................................... 13
§ 1.	Термодинамические соотношения для описания термоэлект-
рических, термомагнитных и гальванотермомагнитных явле-
ний ..................................................   13
§ 2.	Термоэлектрические явления........................ 18
§ 3.	Гальванотермомагнитные явления в изотропной среде .... 31
§ 4.	Термомагнитные явления в изотропной среде......... 35
§ 5.	Классификация гальванотермомагнитных и термомагнитных
явлений в анизотропной среде............................ 43
Литература.............................................. 55
Г л а в а II. Среды и воздействия, приводящие к термоэлектрическому пре»
образованию. Вихревые токи........................................ 57.
§ 1.	Общие условия возникновения термоэлектрического тока... 57
§ 2.	Применение вихревых термоэлектрических токов для описания
термоэлементов.............................................. 64
§ 3.	Влияние вихревых токов на свойства термоэлектрических ма-
териалов ................................................... 67
Литература.................................................. 72
Глава III. Соотношения для описания термоэлементов в условиях генера=
ции ЭДС и электрического тока........................................
§ 1.	Классификация термоэлементов.....................  •
§ 2.	Термопарный элемент..................................
§ 3.	Термоэлемент Юсти....................................
§ 4.	Анизотропный термоэлемент............................
§ 5.	Вихревые термоэлементы...............................
§ 6.	Короткозамкнутый анизотропный термоэлемент...........
§ 7.	Слоистый термоэлемент................................
§ 8.	Термоэлементы Нернста—Эттингсгаузена................
§ 9.	Короткозамкнутые термоэлементы продольного типа в маг-
нитном поле..............................................
§ 10.	Короткозамкнутые термоэлементы поперечного типа в магнит-
ном поле. Эвтектический термоэлемент......................
§ 11.	Магне тотермоэлектрический термоэлемент.............
Литература................................................
74
74
77
87
88
93
99
103
106
114
115
118
119
Тл а в а IV. Соотношения для описания термоэлементов в условиях термо-
электрического и гальваномагнитного	охлаждения..............122
§ 1.	Термопарный элемент...................................122
§ 2.	Термоэлемент Эттингсгаузена...........................157
§ 3.	Магнетотермоэлектрический термоэлемент................171
764
§ 4.	Охлаждение поперечным эффектом Пельтье.............172
§ 5.	Нестационарное охлаждение..........................174
Литература..............................................193
Г л а в а V. Соотношения для описания термоэлементов при термоэлектриг
ческом нагреве............................................198
Литература ................................................206
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Г л а в а VI. Физические принципы оптимизации материалов для термоэле=
ментов....................................................211
§ 1.	Методы повышения добротности полупроводниковых мате-
риалов для термопарных элементов...........................211
§ 2.	Оптимизация материалов для анизотропных термоэлементов . 221
§ 3.	Оптимизация материалов Для короткозамкнутых термоэле-
ментов с анизотропной электропроводностью .................223
§ 4.	Пути увеличения термомагнитной добротности..............224
Литература........•..........................................225
Глава VII. Методы определения параметров термоэлектрических мате-
риалов ..................................................... .	. . . . 227
§ 1.	Методы измерения термоЭДС...............................227
§ 2.	Методы измерения электропроводности . . . '.............230
§ 3.	Методы измерения теплопроводности.....................  237
§ 4.	Метод определения термоэлектрической добротности мате-
риалов для термопарных элементов...........................239
§ б.	Методы измерения анизотропии термоЭДС..................240
§ 6.	Методы измерения анизотропии электропроводности.......243
§ 7.	Метод определения термоэлектрической добротности материа-
лов с анизотропной термоЭДС................................247
§ 8.	Метод определения добротности материалов с анизотропной
’	электропроводностью для короткозамкнутых термоэлементов 248
Литература.................................................. 249
Глава VIII. Свойства термоэлектрических материалов......................252
§ 1.	Материалы для термопарных элементов.....................252
§ 2.	Материалы	для	термоэлементов Нернста—Эттингсгаузена.	.	276
§ 3.	Материалы	для	холодильников Эттингсгаузена. . .	.	277
§ 4.	Материалы	для	термоэлементов с анизотропной термоЭДС	.	278
Литература...............................................  .	280
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА
Г л а в а IX. Термопары для измерения температуры....................285
§ 1.	Стандартные термопары................................287
§ 2.	Технические характеристики промышленных термопар .... 304
§ 3.	Нестандартные термопары..............................326
Литература.................................................348
Г л а в а X. Термогенераторы.........................»	. • «........351
§ 1.	Термогенераторы на химическом топливе ...............351
§ 2.	Солнечные генераторы.................................364
§ 3.	Термоэлектрические генераторы с изотопными источниками
тепла.....................................................378
§ 4.	Реакторные генераторы................................409
Литература.................................................416
Г л а в а XI. Термоэлектрические охлаждающие устройства................420
§ 1.	Термоэлектрические модули..........................420
§ 2.	Охладители электронной радиоаппаратуры.............437
§ 3.	Охладители приемников излучения....................440
§ 4.	Термоэлектрические охладители в приборостроении и изме-
рительной технике.......................................  445
§ 5.	Термохолодильники на транспорте...................... ♦	456
§ 6.	Термоэлектрические охладители в медицине и биологии i |	461
§ 7.	Кондиционеры........................................	467
765
§ 8.	Бытовые охлаждающие устройства......................470
§ 9.	Другие термоэлектрические охладители................474
Литература...............................................475
Глава XII. Термоэлектрические преобразователи для измерения электриэ
ческих величин......................................................478
§ 1.	Одноэлементные	воздушные	термопреобразователи.......486
§ 2.	Одноэлементные	вакуумные	термопреобразователи.......490
§ 3.	Многоэлейентные преобразователи.....................519
§ 4.	Преобразователи с полупроводниковыми термоэлементами . 527
§ 5.	Преобразователи на растяжках........................529
Литература............................-..................530
Г л а в а XIII. Микрокалориметры....................................536
§ 1.	Общая характеристика микрокалориметров......• ... 536
§ 2.	КонДуктивные микрокалориметры с термопарными элемен-
тами ................................>...................541
§ 3.	Микрокалориметр с вихревыми датчиками...............587
§ 4.	Изотермические микрокалориметры с компенсацией эффектом
Пельтье..................................................589
§ 5.	Адиабатические микрокалориметры.....................592
§ 6.	Проточные микрокалориметры..............	........601
Литература...............................................605
Глава XIV. Термоэлектрические приемники излучения...................611
§ 1.	Общая характеристика термоэлектрических приемников излу-
чения ...................................................611
§ 2.	Одноэлементные термопарные приемники................625
§ 3.	Приемники с термопарными батареями..................638
,	§ 4. Приемники с анизотропными термоэлементами...........664
§ 5.	Приемники лазерного излучения.......................667
Литература...............................................689
Г л а в а XV. Другие термоэлектрические приборы и устройства ...... 697
§ 1.	Термоэлектрический насос............................697
§ 2.	Тепломеры..................’........................714
§ 3.	Вакуумметры термопарные.............................718
§ 4.	Термоэлектрический трансформатор....................721
§ 5.	Сигнализаторы внезапных	изменений температуры.......723
6. Приборы для измерения температуры вращающихся тел . . 724
Литература...................... .......................725
Приложение........‘.........в......................................727
Литература..................4......................................758
Предметный указатель...............................................760
ЛУКЬЯН ИВАНОВИЧ АНАТЫЧУК .
ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ И ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА
Справочник
Редакторы Л. И. Белецкая, Р. И. Гусячая
Редактор-библиограф Л. П. Шевченко
Оформление художника В. Г. Самсонова
Художественные редакторы В. М. Тепляков, И. П. Антонюк
Технические редакторы В. Н. Розенцвейг,'
М. А. Притыкина( И. А. Ратнер
Корректоры Л4. Т. Кравчук, Л. И. Выровая, Г. Я. Губарь
Информ, бланк № 744.
СДано в* набор 22.01.79. Подп. в печ. 1Б.10.79. БФ 29096.
Формат 84 х 108/32. Бумага типогр. № 2. Лит. гарн. Выс. печ.
Усл. печ. л. 40,32. Уч.-изд. л. 47,27. Тираж 7200 экз. Заказ 9-413.,
ЦенаЗ руб. 70 коп.
Издательство «Наукова думка». 2Б2601, Киев, ГСП, Репина3.
Харьковская книжная фабрика «Коммунист» РПО «Полиграф-
книга» Госкомиздата УССР, 310012, Харьков-12 Энгельса, 11-