Термоэлектрические охлаждающие приборы - Коленко Е.А.

Автор: Коленко Е.А.

Теги: электричество электрический ток электрокинетика электроника электротехника холодильная техника холодильное оборудование

Год: 1967

Похожие

Холодильная техника 1969 №1

Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник

Холодильная техника 1974 №9

Холодильная техника 1967 №5

Текст

АКАДЕМИЯ НАУК СССР
и нет и тут полупроводников
Е. А. КО Л Е Н К О
ТЕРМО-
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ОХЛАЖДАЮЩИЕ
ПРИБОРЫ
(ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ПЕРЕРАБОТАННОЕ
И ДОПОЛНЕННОЕ)
ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
Ленинград 1967

ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие 3
Введение 5
Часть I
ТЕОРИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Глава I. Основные энергетические соотношения
§ 1. Максимальное понижение температуры 7
§ 2. Холодильный коэффициент 11
§ 3. Многокаскадные термобатареи 13
Глава II. Материалы для термоэлементов
§ 1. Условия максимальной эффективности термоэлемента . . 17
§ 2. Выбор материалов для ветвей термоэлементов 21
§ 3. Теллурид висмута как материал для термоэлемента ... 26
Глава III. Учет дополнительных факторов
§ 1. Учет электронной теплопроводности 30
§ 2. Учет теплоты Томсона в энергетическом балансе термо-
термоэлемента , 31
§ 3. Отступления от оптимальных условий 35
Глава IV. Термогальваномагнитные методы охлаждения
§ 1. Термоэлектрическое охлаждение при низких темпе-
температурах 38
§ 2. Термоэлектрическое охлаждение в магнитном поле ... 39
§ 3. Термомагнитное охлаждение (эффект Эттингсгаузена) . . 40
Часть II.
ИНЖЕНЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ
Глава V. Основы расчета термоэлектрических охлаждающих
приборов
§ 1. Режимы работы термобатареи 45
§ 2. Расчет термобатареи 46
§ 3. Расчет радиатора теплосъема 50
Глава VI. Конструктивные элементы термоэлектрических
охлаждающих приборов
§ 1. Единичный термоэлемент 52
§ 2. Многокаскадные термоэлементы 54
§ 3. Термоэлектрическая батарея 56
281

§ 4. Тепловое сопряжение термобатареи 60
§ 5. Конструкции систем тештоотвода 65
§ 6. Рабочая камера прибора 69
Глава VII. Способы отвода тепла от термоохлаждающпх приборов
§ 1. Радиаторная система с естественпо-конвекционным теп-
теплообменом 71
§ 2. Радиаторная система с принудительным теплосъемом ... 74
§ 3. Игольчатые радиаторные системы . . . .( 77
§ 4. Жидкостная система с естественной циркуляцией .... 80
§ 5. Использование скрытой теплоты плавления 83
§ 6. Использование скрытой теплоты испарения 85
§ 7. Теплоотводящая система с использованием теплоемкости . 87
§ 8. Использование растворов с низкой криогидратной тем-
температурой 89
Глава VIII. Источники питания термоэлектрических охлажда-
охлаждающих приборов
§ 1. Выпрямители 93
§ 2. Аккумуляторы 9&
§ 3. Преобразователи тока 102
§ 4. Термоэлектрогенераторы 104
Глава IX. Некоторые вопросы технологии изготовления термо-
термоохлаждающих приборов
§ 1. Изготовление ветвей термоэлементов 107
§ 2. Залуживание ветвей термоэлементов 110
§ 3. Коммутация термобатареи ИЗ
. § 4. Прочие вопросы технологии 116
Часть III.
ПРАКТИКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Глава X. Высоковакуумные ловушки с термоэлектрическим
охлаждением
§ 1. Назначение 121
§ 2. Термоэлектрические ловушки для единой серии насосов . . 126
§ 3. Термоэлектрическая ловушка для парортутных насосов . . 133
§ 4. Термоэлектрические ловушки для откачных автоматов . . 135
Глава XI. Термоэлектрические охладители приемников лучистой
энергии
§ 1. Микротермостаты для охлаждения фотосопротивлений . . 140
§ 2. Микротермостат для охлаждения болометров 148
§ 3. Термоэлектрический охладитель для радиационных ба-
лансомеров 149
§ 4. Термоэлектрические холодильники для фотоумножите-
фотоумножителей 152
Глава XII. Термоэлектрические охлаждающие приборы
для медицины
§ 1. Термоэлектрический, криоэкстрактор катаракты .... 160
§ 2. Прибор для температурных раздражений кожи — тер-
мод 166
§ 3. Микрохолодильник для лечения кожных заболеваний . . 169
§ 4. Микротомные столики с термоэлектрическим охлажде-
охлаждением 171
§ 5. Холодильник для пластической хирургии 17S
282

Глава XIII. Термоэлектрические приборы для радиоэлектроники
§ 1. Микротермостат для радиоэлектронных устройств .... 179
§ 2. Термоэлектрический ультратермостат . 183
§ 3. Термоэлектрический холодильник для параметрического
усилителя 187
§ 4. Термозонд 190
Глава XJV. Термоэлектрические холодильники общего
назначения
§ 1. Микрохолодильники для лабораторных целей ..... 192
§ 2. Испытательные термоэлектрические микрокамеры .... 198
§ 3. Термоэлектрические конденсационные гигрометры . . . 202
§ 4. Прибор для тарирования термометров 210
§ 5. Термоэлектрические нульттермостаты 212
§ 6. Микроскопные предметные столики с регулируемой тем-
температурой •. . . 217
Глава XV. Термоэлектрические кондиционеры и домашние
холодильники
§ 1. Кондиционеры служебного назначения 224
§ 2, Кондиционеры бытового назначения 228
§ 3. Домашние холодильники большого объема 230
§ 4. Домашний холодильник малого объема 237
Глава XVI. Приборы разного назначения
§ 1. Холодильники для животноводства 240
§ 2. Термостат для коксогазовой промышленности 246
§ 3. Холодильник с отсоединяемой термобатареей 250
§ 4. Термоэлектрический стабилизатор температуры фото-
фоторастворов 252
§ 5. Термоэлектрические приборы для определения темпе-
температуры застывания нефтепродуктов 254
§ 6. Термоэлектрический охладитель молока 262
§ 7. Термоэлектрический охладитель питьевой воды .... 264
Литература 267

УДИ 537.321
АННОТАЦИЯ
Книга посвящена одной из наиболее молодых,
но бурно развивающихся отраслей современной хо-
холодильной техники — технике термоэлектрического
охлаждения. В доступной форме излагаются физи-
физическая природа термоэлектрического охлаждения,
а также методы расчета и конструирования термо-
термоэлектрических охлаждающих приборов различного
назначения. Описаны разнообразные термоэлект-
термоэлектрические охлаждающие приборы, предназначенные
для использования в научной практике и технике.
Большой раздел книги посвящен использованию
термоэлектрического охлаждения в медицине.
Издание рассчитано на широкий круг читателей,
занимающихся разработкой и применением прибо-
приборов термоэлектрического охлаждения, а также на
студентов холодильных институтов.
Ответственный редактор
М.С. СО М И ВСКИЙ
3-3-10
556-67 (I пол.)

ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие науки и техники за последние годы характери-
характеризуется широким использованием методов искусственного охла-
охлаждения. Сравнительно недавно наиболее эффективно искусствен-
искусственный холод производили фреоновые холодильные машины, которые
практически полностью удовлетворяли все потребности. Однако
в последние десятилетия появились качественно новые требования
к холодильникам, которые не могут быть удовлетворены фреоно-
фреоновыми устройствами. Определяющим в выборе • холодильника ста-
становятся габаритные и весовые характеристики, величина энерго-
энергопотребления, возможность надежной работы под воздействием
статических и динамических перегрузок, большой срок службы
и ряд других факторов. Многие из них не могут быть удовлетво-
удовлетворены компрессионными холодильниками.
Поэтому вполне понятен тот большой интерес, который про-
проявляется к новой отрасли холодильной техники — технике термо-
термоэлектрического охлаждения. Если несколько лет назад термо-
термоэлектрические охлаждающие приборы являлись лишь наглядной
иллюстрацией нового метода получения холода, то в настоящее
время разработкой и промышленным выпуском разнообразных
термоэлектрических охлаждающих приборов заняты многочи-
многочисленные организации как в СССР, так и за рубежом. Ежегодно
в периодической печати появляются многочисленные работы,
посвященные технике термоэлектрического охлаждения. Однако
единого пособия, обобщающего опыт по инженерному расчету,,
конструированию и технологии изготовления термоохлаждающих
приборов, нет.
Изданная в 1963 г. книга автора «Термоэлектрические охла-
охлаждающие приборы» представляла собой попытку восполнить су-
существующий пробел в литературе по термоэлектрическому охла-
охлаждению. В основу ее легли работы, выполненные главным обра-
образом в Институте полупроводников АН СССР и некоторых других
организациях в период с 1956 по 1961 г. Учитывая большой ин-
интерес к термоэлектрическому приборостроению со стороны много-

численных организаций, было принято решение переиздать книгу
«Термоэлектрические охлаждающие приборы*. Во второе издание,
значительно переработанное и дополненное, включены результаты
исследований и разработок, выполненных до 1966 г.
В первой части книги, посвященной физической природе термо-
термоэлектрического охлаждения, добавлены главы о термогальвано-
магнитных способах охлаждения, материалах для термоэлемен-
термоэлементов и некоторые другие. В третьей части значительно расширено
описание термоэлектрических приборов, предназначенных для
использования в разнообразных областях научной и производ-
производственной деятельности.
Многие из описанных приборов разработаны автором при бли-
ближайшем творческом участии П. С. Виноградовой, Г. М. Воронова,
А. М. Иванова, И. И. Комарова, В. С. Кутогрибовой, И. В. Эн-
кен, Б. И. Циркеля и М. А. Закревской.
Визуальный гигрометр разработал В. П. Рыбальченко. Хо-
Холодильник для животноводства с жидкостным съемом тепла создан
М. А. Кагановым, Е. А. Коленко, И. Г. Мушкиным и А. Ф. Чуднов-
ским. Термоэлектрические нуль-термостаты сконструированы
А. Н. Ворониным, Э. М. Шером и А. Г. Щербиной. Авторами тер-
термостата для определения нафталина в коксовых газах являются
А. Н. Воронин и А. Г. Щербина. Термостат для фоторастворов раз-
разработан А. Н. Ворониным, Э. М. Шером и А. Г. Щербиной. Термо-
Термоэлектрический холодильник для охлаждения молока на молочных
фермах создан С. П. Бардеевой, И. А. Иоффе, М. А. Кагановым
и А. Ф. Чудновским. Термоэлектрический охладитель для радиа-
радиационных балансомеров сконструирован В. П. Рыбальченко.
Холодильник с отсоединяемой батареей разработан И. С. Лискером
и А. Ф. Чудновским. Автор пользуется возможностью выразить
благодарность перечисленным лицам за любезно представленные
материалы разработок. Автор также выражает искреннюю благо-
благодарность И. В. Гусенковой за подбор и оформление материалов
книги и Т. Н. Дунаевой, взявшей на себя труд проверить рукопись.

ВВЕДЕНИЕ
Эффект термоэлектрического охлаждения был впервые
обнаружен и описан в 1834 г. французским физиком .Жаном
Пельтье. Это явление, получившее назва*ние эффекта Пельтье, за-
заключается в том, что при протекании сквозь электрическую цепь,
составленную из разнородных проводников, постоянного элек-
электрического тока определенного направления в месте соединения
проводников поглощается некоторое количество тепла и соот-
соответственно это место цепи охлаждается.
Последующие работы исследователей, пытавшихся объяснить
природу явления Пельтье, показали, что количество поглощенного
в месте соединения проводников тепла пропорционально силе
тока, времени его протекания и некоторому коэффициенту, завися-
зависящему от физико-химических свойств материала проводников цепи.
Несмотря на то что со времени открытия эффекта термоэлектри-
термоэлектрического охлаждения прошло более 130 лет, его практическое ис-
использование стало возможным лишь в последние годы. Подобное
положение находит себе объяснение в том, что ранее ему не прида-
придавалось большого значения, так как охлаждение, возникающее
в месте соединения разнородных металлов, было весьма мало.
В 1911 г. немецкий физик Альтенкирх, пытаясь создать теорию
термоэлектрического охлаждения для металлических термопар,
пришел к выводу, что практически использовать это явление не
представляется целесообразным.
В результате многолетних работ академика А. Ф. Иоффе и его
сотрудников в 1950 г. была создана теория энергетических при-
применений термоэлектричества, устанавливающая условия и ука-
указывающая пути создания высокоэффективных преобразователей
на основе полупроводниковых материалов. В настоящее время
материалами для этой цели служат интерметаллические сплавы
на основе теллурида висмута и некоторых его твердых растворов.
Создание высокоэффективных полупроводниковых веществ для
ветвей термоэлементов позволило приступить к технической реали-
реализации эффекта Пельтье.

Впервые в мировой практике инженерные конструкции термо-
термоэлектрических охлаждающих приборов были созданы в 1957 г.
в Институте полупроводников Академии наук СССР. В последую-
последующие годы в этом Институте было разработано свыше 100 разнооб-
разнообразных как по конструкции, так и по назначению термоохлаждаю-
термоохлаждающих приборов. Среди них имеются приборы, предназначенные для
использования в астрономии и ботанике, ядерной физике и сель-
сельском хозяйстве, вакуумной технике и археологии, метрологии и
медицине, электронике и ряде других областей техники.
Многие из разработанных приборов в течение нескольких лет
выпускаются отечественной промышленностью, что положило
начало развитию новой отрасли холодильной техники — техники
термоэлектрического приборостроения.
Столь большой интерес к этой новой отрасли техники объяс-
объясняется тем, что термоэлектрическое охлаждение открыло каче-
качественно новые пути в создании малогабаритных устройств, пред-
предназначенных для понижения и стабилизации температуры в
небольших объемах либо для создания локальных, строго дозиро-
дозированных очагов холода, что при использовании ранее существую-
существующих способов получения искусственного охлаждения было эко-
экономически нецелесообразно либо технически неосуществимо.
В термоэлектрических приборах изменением величины питаю-
питающего тока можно плавно менять температуру и скорость охлажде-
охлаждения, а переключив направление тока, перевести прибор из режима
охлаждения в режим нагрева, что позволяет осуществить измене-
изменение температуры по заданной программе.
Впервые теория и практика термоэлектрического охлаждения
получили свое развитие в СССР. Отечественный приоритет в этой
области защищен 68 иностранными патентами.
Читатель, интересующийся развитием техники термоэлектри-
термоэлектрического приборостроения за рубежом, может найти соответствую-
соответствующие ссылки в списке литературы, помещенном в конце книги.

Ч а с т ь I
ТЕОРИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ
V///?/////.
Глава I
ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
СООТНОШЕНИЯ
§ 1. МАКСИМАЛЬНОЕ ПОНИЖЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
В основе любого термоэлектрического охлаждающего
прибора лежит элементарный термоэлемент, представляющий со-
собой соединенные последовательно две полупроводниковые ветви
(рис. 1), одна из которых обладает электронной (п), а другая ды-
дырочной (р) проводимостью.1
При прохождении через термоэлемент постоянного электри-
электрического тока в направлении, указанном на рисунке, между комму-
коммутационными пластинами 1 ж 2,
осуществляющими спаи термоэле-
термоэлемента, возникает* разность темпе-
температур, обусловленная выделением
(на спае 1) и поглощением (на
спае 2) теплоты Пельтье.
Если при этом за счет теплоот-
вода температуру спая 1 поддер- -
живать на постоянном уровне,
температура спая 2 понизится до
некоторого определенного значе-
значения. При заданном токе величина
.понижения температуры зависит
от тепловой нагрузки на нем.
Эта нагрузка складывается из теплопритока от окружающей среды,
тепла, приходящего от спая!, обусловленного теплопроводностью
образующих термоэлемент ветвей, и теплоты Джоуля, выделяю-
выделяющейся в ветвях термоэлемента при прохождении через них тока.
Существенное влияние на работу термоэлемента оказывает
теплота Джоуля. Действительно, если поглощение теплоты
П
/77//////Л
1
Рис. 1. Схема элементарного тер-
термоэлемента.
1 В дальнейшем при выводе соотношений, характеризующих работу
термоохлаждающих приборов, мы будем рассматривать не термобатарею,
состоящую из ряда последовательно или параллельно соединенных термо-
термоэлементов, а единичный термоэлемент, что с качественной точки зрения не
меняет сути дела.

Пельтье пропорционально первой степени силы тока, т. е.
то выделение тепла в термоэлементе благодаря эффекту Джоуля
пропорционально квадрату силы тока:
♦fi
Расчет показывает, что в первом приближении около половины
теплоты Джоуля приходит на холодный спай термоэлемента, что
соответственно уменьшает эффект охлаждения. На рис. 2 приве-
приведена зависимость тепла, приходящего на холодный спай термо-
термоэлемента за счет эффекта Джоуля
{Qi) и отнимаемого от спая за счет
эффекта Пельтье (Q2), от величины
питающего термоэлемент тока /.
Поскольку оба эффекта имеют
место в одной электрической цепи,
складывая их алгебраически, полу-
получаем результирующую кривую, ко-
которая характеризует тепловой баланс
термоэлемента при различных значе-
значениях питающего тока.
U Кривая имеет минимум, соответ-
соответствующий оптимальному току /опт,
при котором достигается максималь-
максимальное понижение температуры на хо-
холодном спае термоэлемента. Благо-
Благодаря пологому минимуму кривой
максимальное охлаждение, создаваемое термоэлементом, не очень
резко зависит от изменения питающего тока. В реальных конст-
конструкциях термоохлаждающих приборов изменение силы тока на
+10 % от оптимального значения практически не сказывается на
степени охлаждения.
Однако заметное превышение силы тока над оптимальным его
значением приводит к уменьшению эффекта охлаждения за счет
возрастания теплоты Джоуля. Дальнейшее увеличение силы тока
может вызвать превалирование теплоты Джоуля над теплотой
Пельтье, и охлаждение спая в этом случае перейдет в нагрев.
Для нахождения величины оптимального тока напишем выра-
выражение для суммы теплот Джоуля и Пельтье, поступающих и по_
глощающихся на холодном спае термоэлемента в единицу времени.
-а.
Рис. 2. Количество теплоты
Джоуля (Qi) и Пельтье (Q2),
выделяющейся на холодном
спае термоэлемента в зависи-
зависимости от тока (I).
A)
где И-у 2 — коэффициент Пельтье термоэлемента, состоящего из
полупроводников 1 и 2; R — сопротивление термоэлемента, опре-

деленное длиной I, удельным сопротивлением р ^ ир2и сечениями
S х и* S2 ветвей термоэлемента, причем
Дифференцируя A), находим, что Q достигает максимума при
оптимальном токе
/ — —bi C)
х out R '
откуда
О — 1>2 D)
V шах 2/? *
Из D) следует, что чем меньше сопротивление термоэлемента,
тем больше количество тепла Q^^ которое может поглотиться на
его холодном спае, т. е.\гем больше его холодопроизводительность.
Отсюда можно сделать вывод, что, увеличивая сечение или умень-
уменьшая длину ветвей термоэлемента, можно достигнуть более низких
температур. В действительности это не совсем верно, так как одно-
одновременно в такой же мере возрастают теплопроводность термо-
термоэлемента и поток тепла по его ветвям. Расчет показывает, что от
геометрических размеров термоэлемента, точнее от отношения
сечения ветвей к длине, зависят оптимальный ток и холодопроиз-
холодопроизводительность; максимальное же понижение температуры, как
будет видно из дальнейшего, целиком определяется коэффициен-
коэффициентом Пельтье, удельной теплопроводностью и электропроводностью
ветвей термоэлемента. *'
Таким образом, из формулы D) следует, что количество тепла,
поглощенное на холодном спае термоэлемента, или, как принято
называть, его холодопроизводительность, обратно пропорцио-
пропорционально сопротивлению ветвей термоэлемента.
Определим условия, при которых термоэлемент создает макси-
максимальное понижение температуры.
Теплота, поглощаемая на холодном спае термоэлемента,
в стационарном состоянии должна быть равна тепловой на-
нагрузке, которая складывается, как указывалось выше, из тепло-
притока от горячих спаев термоэлемента за счет теплопро-
теплопроводности полупроводников Qx и теплового притока на холодный
спай из окружающей среды (?0, т. е.
Для простоты рассуждений будем считать, что холодный
спай термоэлемента теплоизолирован, т. е. (?0 = 0. Тогда

или
1 о i — х . (р)
где х — теплопроводность термоэлемента.
1
Xj и х2 — удельная теплопроводность ветвей. Тогда, согласно
D) и E),
Подставляя в G) значения для R и х из B) и F) и учиты-
учитывая, что
где Oj и <х2— коэффициенты термоэлектродвижущей силы ма-
материала ветвей термоэлементов,
получим
, Р2
Введем обозначения:
и
где
/1 v /Pi I \ ■*■
Т
Тогда, подставляя эти обозначения в (8), получим
Выражение (8) показывает, что максимальное понижение
температуры определяется параметрами материалов ветвей
термоэлементов а, р и х, температурой холодного спая F и со-
соотношением сечений ветвей т; простые вычисления показы-
показывают, что величина z достигает максимального значения при
определенном соотношении ветвей:
)/ьЕ; A°)
V0 Г х2р2
10

при этом
A1)»
Из (9) может быть получена температура холодного спая в виде
■1
т _ VI + 2Гог ■
■* mm . . у
A2)
На рис. 3 приведена зависимость разности температур (Го—Т),
обеспечиваемой термоэлементом, от величины z используемых ве-
веществ. Из хода кривой видно, на- ~_
сколько важно изыскание новых о
термоэлектрических материалов с
более высоким значением z. 100°
§2. ХОЛОДИЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ 75
При рассмотрении ус-
условий, в которых термоэлемент
обеспечивает максимальное пони-
понижение температуры, было сделано
допущение, что тепловая нагрузка
на холодный спай из ркружаю-
щей среды QQ отсутствует. Одна-
Однако в реальных условиях между
SO
85
о 1 г з ч 5 6 7
■ г'103,град7*
Рис. 3. Зависимость максималь-
холодными спаями термобатареи ™и Разности температур (То—
„ „ Т), обеспечиваемой термоэлемен-
и окружающей средой имеется T0Mj от величИш z.
теплообмен, величина которого
определяется назначением и кон-
конструкцией термоохлаждающего прибора. В ряде случаев тепловая
нагрузка на термобатарею создается также теми объектами, тем-
температуру которых требуется понизить. Иными словами, термо-
термоэлектрическая батарея должна отводить некоторое количество
тепла @0, которое поступает на ее холодные спаи.
В этом случае весьма важным параметром, характеризующим
эффективность работы термоохлаждающего прибора, является
холодильный коэффициент е, который определяется отношением
количества тепла, отводимого в единицу времени термобатареей,
к затраченной на это электроэнергии W:
w
A3)
При наличии дополнительного теплового притока (?0, приходя-
приходящего на холодные спаи, равновесие наступит при такой темпера-
температуре Г,, при которой полное количество тепла, поступающего на
2 Это выражение справедливо при %=€
11

холодный спай, т. е. сумма Qo, теплоты Джоуля и потока тепла за
счет теплопроводности по ветвям термоэлемента скомпенсирует
поглощающуюся на нем теплоту Пельтье. Следовательно, условие
равенства может быть записано в следующем виде:
Qn = (ax _ aJTI = ~ PR + x (To - T) + QQ,
откуда
Qo={«i-«z)TI-jl4t~*(To-T). A4f
Мощность, потребляемая термоэлементом W, слагается из
двух частей: теплоты Джоуля PR и мощности, затрачиваемой
на преодоление термоэлектродвижущей силы, возникающей
в термоэлементе за счет эффекта Зеебека и направленной
в сторону, обратную полярности питающего термоэлемент на-
напряжения, и равной
т. е.
W=l*R + (a1-aJ(T0-T)I. ■ A5)
Подставляя значение (?0 и W в A3), имеем
()TI im(TT)
A6)
е
Таким образом, холодильный коэффициент зависит от ве-
величины питающего термоэлемент тока.
Можно показать, что максимальное значение холодильный
коэффициент приобретает при токе
и соответствующем
у (
При этом
f —
max
падении
VI+(
т ^
То- Т VI
напряжения, равном
)— Т) Vl + O.5z(ro+r)
J%yj" \*- 0 ~~т~ ■*■ 1 J-
+ 0.5zG'o+7')— -f-
+ О.52G'о+ Т) + 1
A8)
A9)
3 Эффектом Томсона мояшо принебречь, если разность aj = a2 явля-
Tq — Т
ется средним значением при температуре Т = g •
12

Важно отметить, что холодильный коэффициент зависит от
разности температур То—Т, создаваемой термоэлектрической
батареей, и величины z, характеризующей свойства использу-
используемых полупроводниковых веществ. При небольших разностях
температур холодильный коэффициент имеет большую вели-
величину и при (То— Т)-> 0 стремится к бесконечности, и наоборот,
при значительных разностях температур холодильный коэф-
коэффициент стремится к нулю.
В ряде случаев от термоэлектрических охлаждающих при-
приборов требуется максимальная холодопроизводительность @тах
подчас даже в ущерб экономичности.
Максимальная холодопроизводительность термобатареи,
согласно C), достигается при токе
_(а1-оа)Г
о R
и напряжении
Vm = I.JR + К - а2) (То - Т) = (а, - а2) То
и, согласно D), равна
(а, — а2J Гц2 ,904
Vmax — 2Д • \ >
В режиме максимальной холодопроизводительности разность
температур, создаваемая термобатареей при наличии тепловой
нагрузки, будет равна
Тй-Т = (Тй-Т)тл~^. B1)
§ 3. МНОГОКАСКАДНЫЕ ТЕРМОБАТАРЕИ
Как указывалось выше, в термоэлементе под влиянием
проходящего тока создается разность температур между его холод-
холодным и горячими спаями. Очевидно, что температура на холодном
спае будет зависеть от температуры горячих спаев. Понижая тем
или иным способом температуру горячих спаев, можно достигнуть
более низкой температуры на холодном спае. Один из возможных
способов решения этой задачи •— использование многокаскадных
термобатарей.
Рассмотрим в качестве примера принципиальное устройство
трехкаскадной батареи. Горячие спаи верхнего каскада термоэле-
термоэлемента опираются на холодные спаи термоэлементов второго кас-
каскада. Горячие спаи термоэлементов второго каскада опираются
на холодный спай первого каскада. Между термоэлементами про-
прокладываются возможно более тонкие электроизоляционные про-
прослойки. Каждый термоэлемент образует самостоятельную электри-
электрическую цепь. При таком способе холодный спай нижнего термо-
13

элемента снимает тепло с горячего спая среднего, а холодный спай
среднего термоэлемента охлаждает горячий спай верхнего термо-
термоэлемента. При этом холодопроизводительность каждого каскада
должна быть такой, чтобы обеспечить эффективный отбор тепла
от вышележащих каскадов.
Один из основных параметров многокаскадного термоэле-
термоэлемента — холодильный коэффициент — определяется следующим
образом. Пурть. холодопроизводительность первого каскада бу-
будет (?-,, его холодильный коэффициент — ех и потребляемая от
источника питания мощность -— Wv Соответствующие величины
для второго каскада обозначим через Qo, e9 и W2 и т. д.
Тогда, согласно A3), потребляемая первым каскадом мощность
будет равна
1 Ч
Второй каскад должен обладать холодопроизводитель-
ностью
третий каскад —
fc = & + IP.= 0,A+£) = fc(l+£)(!+£) B2)
и п -\- 1 каскад —
Но е(п) слагается из двух частей — мощности, потребляемой
всей термобатареей W' = Wl-\-W^-\- ■ ■ ■ -f- Wn, и ее холодопроиз-
водитёльности Q{.
(±) B3)
где е(я) — холодильный коэффициент всей батареи в целом.
Сравнение B2) и B3) дает нам выражение для холодильного
коэффициента многокаскадной термобатареи:
l_j__^ = Tnr(i_j_±) B4)
или
B5)
Холодильные коэффициенты последующих каскадов е. мо-
могут быть различны, так как эффективность термоэлемента z,
14

вообще говоря, зависит от температуры; кроме того, перепады
температур на различных каскадах могут тоже отличаться
друг от друга; стационарное же состояние Достигается при
такой разности температур на каждом каскаде, при которой
его холодопроизводительность становится равной количеству
тепла, поступающего на него от предыдущего каскада.
Анализ выражения B5), однако, показывает, что при за-
заданных числе каскадов (/г) и перепаде температур на всей
термобатарее
холодильный коэффициент всей тер-
термобатареи (е(п)) достигает макси-
максимума, если
е1 = ея=...е11 = е0. B6)
Холодильный коэффициент s-того
каскада ег определяется перепадом
температур на нем Д7\, а перепад
температур при заданной (предыду-
(предыдущим каскадом) холодопроизводитель-
ности определяется размерами дан-
данной термобатареи; последние по-
поэтому должны подбираться таким
образом, чтобы B6) выполнялось.
При этом условии
(92Л -^- /О*7\
В частности, для двухкаскадной
батареи B7) дает
-B) .
1
10 -
о
10 ВО 30 W 50 Т0~Т
1 2 ~2eo+i-
+
Рис. 4. Зависимость холодиль-
холодильного коэффициента (е) от раз-
разности температур (Го—Т) для
однокаскадного A) и двухка-
скадного B) термоэлементов.
B8)
На рис. 4 приведена зависимость холодильного коэффициента
от разности температур для одно- и двухкаскадной батареи.
Из графика видно, что преимущества двухкаскадного термо-
термоэлемента перед однокаскадным заметно проявляются при малых
значениях е. Однако, когда требуется получить максимальное сни-
снижение температуры без учета потребляемой при этом термоэлемен-
термоэлементом мощности, возможно использование двухкаскадных и редко
трехкаскадных термоэлементов. Применение термоэлементов с ко-
количеством каскадов более трех является нерациональным, так
как холодопроизводительность уже третьего каскада настолько
15

мала, что использование такого термоэлемента в реальных усло-
условиях не всегда представляется возможным. Кроме того, необхо-
необходимо иметь в виду, что из-за температурной зависимости z пере-
перепад температур, создаваемый отдельными каскадами, уменьшается
с увеличением количества каскадов по квадратичному закону.
Если к этому добавить, что создание уже трехкаскадного термо-
термоэлемента сопряжено со значительными конструктивными трудно-
трудностями, то станет ясно, почему широкое практическое применение
получили термоэлементы, содержащие не более трех каскадов.

Глава II
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
§ 1. УСЛОВИЯ МАКСИМАЛЬНОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ
ТЕРМОЭЛЕМЕНТА
Параметры вещества, определяющие величину z, как-то:
коэффициент термоэдс а, удельная электропроводность а и удель-
удельная теплопроводность и, являются функциями концентрации сво-
свободных электронов (или дырок). Качественно эта зависимость
представлена на рис. 5. Электро-
Электропроводность пропорциональна п;
термоэлектродвинсущая сила, на-
наоборот, стремится к нулю при
возрастании числа носителей. Те-
Теплопроводность слагается из двух
частей: теплопроводности кристал-
кристаллической решетки — хр и элек-
электронной теплопроводности — хэл,
рричем х=хр+хэл. Теплопровод-
Теплопроводность решетки в первом прибли- .
жении не зависит от п, а хэл про-
пропорциональна п.
В металлах и металлических
сплавах величина z очень мала цтторы лпщпроШниш Металлы
за счет низкого коэффициента тер-
Качественная
Рис. 5. Качественная зависи-
зависимость электропроводности (о),
коэффициента термоэдс (а) и а2о
от величины концентрации но-
носителей (п).
моэдс, в диэлектриках стремится
к нулю из-за ничтожно малой элек-
электропроводности; в области полу-
полупроводниковых концентраций но-
носителей z достигает ёвоего макси-
максимального значения. Эти качественные соображения позволяют
понять, почему эффективность металлических термопар очень
низка; именно этим объясняется то, что термоэлектрические гене-
генераторы и холодильники до последнего времени не находили
сколько-нибудь значительного применения в технике. Если вос-
воспользоваться в качестве материалов для ветвей термопары полу-
полупроводниками (точнее, полуметаллами, см. ниже) и подобрать
в них соответствующим образом концентрацию электронов (или
17

дырок, если речь идет о положительной ветви), можно поднять
эффективность термоэлементов в десятки раз.
Для того чтобы оформить эти соображения количественно,
мы должны воспользоваться выражениями для коэффициента
термоэдс, электропроводности и теплопроводности, подставить
их в выражение для z и из условия экстремума
7Г=°
on
найти оптимальную концентрацию носителей (электронов или ды-
дырок) п0, при которой z достигает максимума.
Нам важно получить решение в аналитической форме, а для
этого придется сделать два допущения, упрощающих решение
задачи.
1. Как видно из рис. 5, максимум числителя выражения для z
оказывается лежащим в области концентрации носителей порядка
1019 см, т. е. приблизительно в 1000 раз меньшей, чем концентра-
концентрация свободных электронов в металлах. Доля электронной тепло-
теплопроводности по отношению к теплопроводности кристаллической
решетки при этих условиях (обычно) уже невелика (в то время
как в металлах хэл играет преобладающую роль); поэтому в пер-
первом приближении мы можем заменить в выражении для z полнук>
теплопроводность (и=хр+хэл) теплопроводностью кристалличе-
кристаллической решетки %■
Р ?
и, полагая, что хр не зависит от п, искать максимум а2а (как функ-
функции от п), а не z. Предположение, что теплопроводность решетки
не зависит от концентрации Свободных носителей, является,
вообще говоря, не вполне строгим; во-первых, изменение концент-
концентрации носителей (при данной температуре) всегда требует введе-
введения примесей, а последние вызывают дополнительное рассеяние
фононов и снижают теплопроводность решетки; во-вторых, фо-
ноны рассеиваются непосредственно на свободных электронах и
дырках, — по этой причине теплопроводность кристаллической
решетки металлов ничтожно мала. Однако при концентрациях
носителей порядка 1019 см эти оба фактора играют ничтожную
роль, и мы вправе поэтому считать хр не зависящим от п.
2. Предположим далее, что при концентрации носителей, со-
соответствующей максимальному значению а2о, они (носители) на-
находятся в невырожденном состоянии, и поэтому к ним при-
применима классическая статистика. В этом случае функция
распределения Ферми заменяется функцией распределения
Максвелла
f^ekT B9)
18

и выражения для термоэдс, концентрации носителей, электро-
электропроводности и теплопроводности чрезвычайно упрощаются:
jx*,1 а, о и хэл могут быть выражены в виде, явных функций
от п:
8/Л .,
J. 0
— enU, C2)
C3)
где
При этих условиях задача нахождения оптимальной кон-
концентрации носителей nQ и соответствующего ей максимального
значения а2о решается чрезвычайно просто.
В дальнейших рассуждениях сделаем допущение, что по-
подвижность электронов не зависит от п, что, вообще говоря,
не совсем верно, так как: 1). с ростом п одновременно растет
число ионизированных доноров, являющихся дополнительными
источниками рассеяния электронов; 2) при больших концентра-
концентрациях электронов с ростом п начинает (за счет вырождения)
расти их энергия, что также влияет на U (так как U является
функцией от энергии С/= — -4^-). Однако для качественного
анализа, который является целью -наших расчетов, можно пока
этими зависимостями пренебречь (вопрос об учете вырождения
будет рассмотрен ниже).
Согласно C1) и C2),
2 &2Г . о . , 2 B-кткТ)ък "]2 тт
«*° = т[г + 2 + Ы ш J nU.
л г д(сРо) г.
Условие—Aj—^-^^идает оптимальную концентрацию носи-
носиоводность о0
°о = eUno C4)
телей п, соответствующую электропроводность о0
и оптимальную термоэдс
к
=:2 — =172 мкв/град.; C5)
(X
1 Здесь р.* = j-y- — так называемый приведенный химический потен-
потенциал.
19

при этом выражение для максимального значения а2а принимает
вид
C6)
и соответственно максимальное значение z приобретает вид
, C7)
где т0 — масса свободного электрона, равная 9 • 10~28 г, и Го=
= 300° К.
Как видно из C4), оптимальная концентрация носителей зави-
зависит от ряда факторов: эффективной массы т, температуры Т и
механизма рассеяния г.2
Оптимальная же термоэдс (а), согласно C5), для всех веществ
и при всех условиях остается постоянной. Поэтому при подборе
нужной концентрации носителей удобнее ориентироваться по ве-
величине термоэдс, тем более что ее измерение несравненно проще,
чем измерение концентрации свободных электронов.
Согласно C4), оптимальная концентрация носителей, при ко-
которой z достигает максимального значения, есть функция от темпе-
температуры; следовательно, концентрацию носителей нужно подби-
подбирать в соответствии с рабочим интервалом температур. С этой точки
зрения наиболее выгодным для создания термопар было бы веще-
вещество, у которого концентрация электронов менялась бы с темпера-
температурой по закону щ ~ Т3Ь и, таким образом, условие оптимума C4)
удовлетворялось бы во всем температурном интервале работы
термопары для любого дифференциального участка ее ветви.
К сожалению, таких веществ в природе не существует. В обычных
полупроводниках в области примесной проводимости концентра-
ция носителей растет по экспоненциальному закону п — е 2КТ,
где Дгх — энергия активации примесных уровней, т. е. куда
быстрее, чем требует условие C4).
К счастью, в данном случае нам природа идет в известной сте-
степени навстречу. Дело в том, что энергия активации примесей
(Aex) не есть величина постоянная, а, как правило, убывает с кон-
концентрацией N и обычно при N — 1018—1019 обращается в нуль.
Полупроводник при этом обращается в так называемый полуме-
полуметалл: уже вблизи абсолютного нуля все примеси оказываются
ионизированными, и концентрация носителей остается постоянной
(n=N) вплоть до температур, при. которых начинает проявляться
собственная проводимость.
2 г — величина, отражающая характер рассеяния носителей тока: для
атомных решеток г = 0, для ионных — -^-—i, при рассеянии на атомах
примеси г = 2.
20

Таким образом, если в качестве материалов для ветвей термо-
термопары применить полуметаллы с достаточно широкой запретной
зоной, то мы можем считать, что концентрация носителей остается
постоянной. При этом условие C4) также не выполняется строго
на всем протяжении ветви термоэлемента, и это приводит к не-
некоторому снижению его эффективности. Однако, так как перепад
температур на охлаждающей термопаре, как правило, не превы-
превышает нескольких десятков градусов, отступления от C4) и соответ-
соответствующие потери эффективности обычно не превышают 10—20%.
В этом отношении многокаскадные батареи приобретают еще одно
преимущество: если общий рабочий перепад разделен на неболь-
небольшие перепады температур, то в каждом каскаде условие C4)
может быть удовлетворено более точно соответствующим подбором
концентраций примесей. Можно также строго удовлетворить это
условие, если обеспечить постепенное изменение концентрации
примесей вдоль ветви термопары; это, однако, представляет боль-
большие технологические трудности, которые до настоящего времени
полностью не преодолены.
Согласно C7), эффективность термопары (z) пропорциональна
отношению подвижности носителей к теплопроводности кристал-
кристаллической решетки; z достигает максимального значения при опре-
определенной концентрации носителей. Таким образом, проведенный
выше анализ показывает, что разработка материалов для ветвей
термоэлементов сводится к решению следующих основных задач:
1) к отысканию веществ с максимальным отношением подвиж-
подвижности носителей к теплопроводности кристаллической решетки,
2) к созданию в этих веществах концентрации носителей,
соответствующей C4).
§ 2. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ВЕТВЕЙ
ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
Пути отыскания материалов с оптимальными свой-
свойствами, т. е. с максимальным отношением подвижности носителей
к теплопроводности кристаллической решетки, к сожалению, до
настоящего времени в значительной степени неясны. Объясняется
это отчасти недостатком экспериментальных данных, отчасти же
отсутствием законченной теории, которая могла бы предсказать,
в каких веществах можно ожидать большой подвижности носите-
носителей электричества.
Однако современная электронная теория твердого тела все же
дает некоторые указания на этот счет, которые мы здесь и поста-
постараемся изложить.
Как известно, в идеально периодическом поле электроны при
своем движении не испытывают никаких соударений. Такое поле
должно бы было существовать в идеальном (т. е. не имеющем
структурных дефектов) кристалле при абсолютном нуле темпера-
21

туры, и в таком кристалле подвижность электронов (и дырок)
была бы бесконечна. В реальных же кристаллах и при температу-
температурах, отличных от абсолютного нуля, электроны рассеиваются
на тепловых колебаниях и дефектах решетки; эти акты рассеяния
ограничивают длину свободного пробега электронов и их подвиж-
подвижность. Мы пока отвлечемся от существования дефектов, так как
в известной степени мы можем уменьшить их количество, а следо-
следовательно, и влияние на подвижность соответствующим выбором
технологии приготовления материалов 3 (очисткой исходных ве-
веществ, выращиванием монокристаллов, отжигом и т. д.), и будем
рассматривать рассеяние носителей только на тепловых колеба-
колебаниях решетки.
При этом надо иметь в виду, что рассеяние электронов вызы-
вызывают не сами тепловые колебания атомов, а возникающие вслед-
вследствие их нарушения периодического потенциала. Чем сильнее
выражен рельеф периодического потенциала, тем больше будут
локальные поля, возникающие в результате тепловых колебаний.
Поэтому подвижность носителей, как правило, низка в ионных
кристаллах, в которых потенциальный рельеф выражен наиболее
ярко. Напротив, в кристаллах с ковалентным характером связи
(в которых нет чередования положительно и отрицательно заря-
заряженных ионов) подвижность носителей значительно выше. К по-
последнему типу относятся кристаллы элементарных полупровод-
полупроводников — кремния, германия, серого олова и ряда интерметалли-
интерметаллических соединений — InSb, GaSb, AlSb, ZnSb, CdSb и др.
Здесь следует заметить, что между ковалентными и ионными
соединениями не существует резкой грани. Действительно, пред-
представим себе, что один из атомов, образующих бинарное соедине-
соединение, отдал второму некоторое количество электронов и, таким
образом, образовалась ионная молекула. Но при этом электрон-
электронная оболочка отрицательного иона будет деформироваться под
действием положительного поля и центр тяжести ее будет сме-
смещаться по направлению к последнему. Если при этом поляризуе-
поляризуемость отрицательного иона велика и оболочка деформируется на-
настолько, что захватит своим краем положительный ион, то связь
уже будет носить частично ковалентный характер.
Точно так же, если у одного из элементов, образующих кова-
лентное соединение, сродство с электроном больше, чем у второго,
то центр тяжести электронного облака, образующего ковалентную
связь, будет смещен по направлению к первому и соединение будет
частично ионным.
К такого типа соединениям с «почти» ковалентной связью от-
относится ряд халкогенидов элементов четвертой и пятой групп
3 Это, впрочем, не относится к тем дефектам, которые неизбежно воз-
возникают, когда мы вводим в вещество некоторое количество доноров или ак-
акцепторов, необходимое для обеспечения оптимальной концентрации носителей.
22

(PbS, PbSe, PbTe, Bi2Te3, Sb2Te3, Bi2Se3); в этих соединениях под-
подвижность носителей также достигает довольно больших значе-
значений.
Сравнение подвижности носителей в рядах изоморфных кри-
кристаллов, как например PbS, PbSe, PbTe, показывает, что и здесь
наблюдается определенная закономерность, а икеипс г.одвюк^сть
и электронов, и дырок растет от сернистого свинца к теллуристому
свинцу, т. е. при замене одной из компонент соединения ее более
тяжелым аналогом. В данном случае можно было бы думать, что
причиной повышения подвижности является уменьшение ионности
соединения, так как сродство с электроном теллура значительно
меньше, чем серы.
Но в действительности уменьшение ионности лишь частично
объясняет упомянутую выше закономерность, так как она наблю-
наблюдается также в ряду алмаз, кремний, германий, серое олово,
в котором ни о какой ионности, разумеется, не может быть речи.
Второй причиной повышения подвижности при переходе к более
тяжелым элементам является то обстоятельство, что поляризуе-
поляризуемость атомов (и ионов), находящихся в одной подгруппе периоди-
периодической системы, но в разных периодах, растет с ростом их поряд-
порядкового номера (т. е. с ростом размеров электронной оболочки атома
и числа электронов, заключенных в ней). Тяжелые атомы сильнее
поляризуются под действием электрических полей (поэтому ди-
диэлектрическая постоянная германия приблизительно в 4 раза
больше, чем алмаза). Но это относится не только к внешним полям,
но и к собственному периодическому полю кристалла: электрон-
электронные оболочки тяжелых атомов в большей степени деформируются
под его влиянием, и, таким образом, сглаживается изменение пе-
периодического потенциала в кристалле. Чем тяжелее атомы, обра-
образующие ковалентный кристалл, тем менее направленный, более
размытый характер носят ковалентные связи, тем менее ярко вы-
выражен потенциальный рельеф в направлении, перпендикулярном
к связи. Можно сказать, что при переходе к более тяжелым атомам
постепенно происходит «металлизация» ковалентных связей.
В металлах свободные электроны также не распределены равно-
равномерно по всему объему кристалла, а движутся преимущественно
по «мостикам», соединяющим соседние атомы. Поэтому между
металлической и ковалентной связью точно так же нет резкой
грани, как между ковалентной и ионной. Однако коренное разли-
различие ионных и ковалентных кристаллов, с одной стороны, и метал-
металлических, с другой, заключается в том, что в последнем случае
мы имеем дело с незаполненными электронными оболочками;
поэтому электроны в металле могут беспрепятственно «переска-
«перескакивать» с одного мостика на другой и изменять направление своего
движения под действием электрического поля; этим, грубо говоря,
и обусловлена металлическая проводимость. Второе отличие ко-
ковалентных кристаллов от металлов — это малое координацион-
23

ное число (т. е. число ближайших соседей атома). В ковалентных
кристаллах оно колеблется от 2 до 4, в металлах — от 6
до 12.
Подытожив сказанное выше, можно утверждать, что больших
значений подвижности можно ожидать в ковалентных или «почти
ковалентных» кристаллах, состоящих из тяжелых атомов.
. _р**мояим теперь, в какой мере z зависит от эффективной массы
носителей. В выражении для z C7) эффективная масса входит,
во-первых, явно: z — m3^ за счет зависимости термоэдс от т
(см. формулу C1)), а во-вторых, косвенно, так как подвижность
носителей также зависит от их эффективной массы. Согласно тео-
теории, в кристаллах с ионной связью U — т~3'* и z, следовательно,
не зависит от эффективной массы. В более важном для нас случае
ковалентных кристаллов U — т~3'* и z, согласно C7), обратно
пропорциональна эффективной массе.
Вот примерно все, что можно в настоящее время сказать о вы-
выборе веществ с большой подвижностью. Даже качественные выводы,
сделанные выше, например о зависимости U от т, не следует счи-
считать окончательными, так как теоретические соображения, поло-
положенные в их основу, не вполне строги, а экспериментального ма-
материала собрано пока слишком мало.
Несколько лучше обстоит дело с вопросом об отыскании ве-
веществ с малой теплопроводностью кристаллической решетки.
Хотя до сих пор не существует законченной теории, которая да-
давала бы количественные предсказания относительно теплопро-
теплопроводности кристаллов, однако качественная теория, развитая ака-
академиком А. ф. Иоффе, позволяет сделать на этот счет следующие
выводы.
1. Теплопроводность кристаллической решетки осуществляется
распространением упругих волн и ограничивается рассеянием
этих волн: а) друг на друге и б) на дефектах кристалла.
Так же как при рассмотрении подвижности, мы вначале будем
считать, что число дефектов в кристалле достаточно мало и что
рассеянием тепловых волн на них можно пренебречь.
Если бы силы, связывающие атомы кристалла, подчинялись
строго закону Гука, т. е. сила F была бы прямо пропорциональна
смещению атома из положения равновесия (х), а потенциальная
энергия U — квадрату смещения: F=—fx, U=2fx2, то колебания
атомов и упругие волны носили бы строго гармонический (сину-
(синусоидальный) характер. Такие волны при своем распространении
совершенно не взаимодействуют друг с другом, и теплопроводность
подобного кристалла была бы бесконечна. Но в действительности
взаимодействие атомов носит более сложный характер; потенциаль-
потенциальная энергия как функция от смещения описывается бесконечным
рядом:
U = \fa* + \g3? + ...t C8)
24

а сила
F = —?£r=-fx-g3*-... C8a)
Коэффициент g в формулах C8, 38a) называется коэффициентом
ангармоничности колебаний. Чем больше коэффициент g и ампли-
амплитуды колебаний х, тем больше значение второго члена в C8), тем
больше колебания отклоняются от простого гармонического за-
закона и взаимодействуют друг с другом и тем меньше теплопровод-
теплопроводность кристалла. В кристаллах с ионным характером связи ан-
ангармоничность колебаний значительно больше, чем в ковалентных
кристаллах, поэтому теплопроводность в первом случае обычно
бывает меньше, чем во втором.4 Амплитуда тепловых колебаний
атомов растет с ростом теплосодержания кристалла или, иными
словами, с ростом числа фононов. Чем ниже температура Дебая
данного кристалла, тем больше его теплосодержание при данной
температуре и тем меньше его теплопроводность. Но температура
Дебая (©) связана с массой атомов, образующих кристалл (М),
и коэффициентом / в разложении C8) соотношением:
Поэтому низких значений теплопроводности следует ожидать
у веществ, состоящих из тяжелых и слабо связанных друг с другом
атомов. О величине коэффициента / можно судить по модулю
Юнга или, более косвенно, по величине теплоты образования кри-
кристалла. Резюмируя изложенное, можно утверждать, что тепло-
теплопроводность кристалла пропорциональна величине модуля Юнга
вещества, образующего кристалл, и обратно пропорциональна
массе атомов этого вещества и его коэффициенту теплового рас-
расширения.
2. В любом полупроводниковом веществе отношение подвиж-
подвижности носителей к теплопроводности кристаллической решетки
может быть увеличено за счет введения нейтральных примесей.
Эти примеси увеличивают эффективность рассеяния упругих волн,
что ведет к уменьшению теплопроводности в кристалле. С другой
стороны, эти нейтральные примеси не должны оказывать значи-
значительного действия на рассеяние основных носителей. Роль ней-
нейтральных примесей может играть ряд изоморфных соединений,
образующих с основным веществом термоэлемента твердые рас-
растворы.
4 Ангармоничность тепловых колебаний проявляется также в тепловом
расширении кристаллов. Поэтому о величине коэффициента g можно судить
также по линейному коэффициенту теплового расширения.
25

§ 3. ТЕЛЛУРИД ВИСМУТА КАК МАТЕРИАЛ
ДЛЯ ТЕРМОЭЛЕМЕНТА
За последние годы наибольшее распространение как
материал для изготовления ветвей термоэлементов получил тел-
лурид висмута (Bi2Te3) и некоторые его твердые растворы с та-
такими изоморфными соединениями, как селенид висмута (Bi2Se3)
и сурьмянистый теллур (Sb2Te3). Теллурид висмута может быть
получен как /ь, так и гс-типа. При избытке висмута образуется
Bi2Te3 /ьтипа, и при избытке тел-
теллура образуется Bi2Te3 и-типа.
Для увеличения отношения под-
подвижности основных носителей к
теплопроводности кристалличе-
кристаллической решетки обычно используют
твердые растворы Bi2Te3—Bi2Se3
и Bi2Te3—Sb2Te3.
На рис. 6 приведена зависи-
зависимость теплопроводности решетки и
подвижности электронов в твердом
растворе Bi2Te3—Bi2Se3 n-типа в
зависимости от содержания Bi2Se3.
Из хода кривых видно, что с уве-
увеличением содержания в твердом
растворе селенистого висмута под-
подвижность электронов вначале не-
незначительно уменьшается, а за-
затем резко увеличивается. В то же
время величина теплопроводности
решетки при составе 50% Bi2Te3—
50% Bi2Se3 уменьшается почти в
1.5 раза. Увеличение подвижности электронов в данном слу-
случае обусловлено тем, что" эффективная масса электронов в
селенистом висмуте почти в три раза меньше, чем в теллуриде
висмута (рис. 7). На этом же рисунке видно, что увеличение
подвижности за счет уменьшения эффективной массы не всегда
благоприятно сказывается на термоэлектрической эффективности
материала. Это обусловлено тем, что при увеличении подвижности
электронов и уменьшении эффективной массы уменьшается значе-
значение коэффициента термоэдс, что в свою очередь ведет к снижению
значения а2а.
Эти же соображения подтвердились на материале для положи-
положительной ветви термоэлемента — дырочном теллуристом висмуте.
Путем замены его твердым раствором Bi2Te3—Sb2Te3 удалось
поднять z более чем в 2 раза. Однако система Bi2Te3—Sb2Te3
(в которой соответствующим подбором примесей можно создать
как дырочную, так и электронную проводимость) оказалась мало-
80 60 40 20
BizSe3,%
Рис. 6. Теплопроводность решетки
(Хр) и подвижность носителей (к)
в твердом растворе Bi2Te3—Bi2Se3
в зависимости от содержания
Bi2Se3.
26

эффективным материалом для отрицательной ветви термоэлемента:
ее эффективность в этом случае оказалась не только значительно
ниже, чем твердых растворов, упомянутых выше, но даже ниже,
чем просто теллурида висмута. Детальное изучение этого вопроса
показало, что для подвижности носителей отнюдь не безразлично,
какая из компонент соединения частично замещается своим анало-
аналогом; в том случае, когда в кристаллической решетке замещается
часть анионов, подвижность электро-
электронов слабо изменяется, но сильно
падает подвижность дырок; напротив,
при частичной замене катионов умень-
уменьшается подвижность электронов и
слабо изменяется подвижность ды-
дырок.
На рис. 8 приведена зависимость
подвижности электронов и дырок в
твердом растворе Bi2Te3—Sb2Te3 от
содержания Sb2Te3. В данном случае
при изменении содержания Sb2Te3 в
твердом растворе от 0 до 50 % под-
подвижность электронов уменьшилась в
2 раза, в то время как подвижность
дырок даже возросла и имеет макси-
максимум, отвечающий составу Bi2Te3 —
67% и Sb2Te3 —33%. Этот состав
соответствует образованию упорядо-
упорядоченного твердого раствора.
Приведенные выше факты позво-
позволяют сделать вывод, что в полупро-
полупроводниках даже со слабо выражен-
выраженной ионной связью основные носи-
носители движутся не по всему объему кристалла, а преимуще-
преимущественно по «мостикам», образованным между ионами. Причем
электроны движутся по субрешетке, образованной положительно
заряженными ионами, а дырки — по субрешетке, образованной
отрицательно заряженными ионами. Поэтому искажения «поло-
«положительной» решетки сильно снижают подвижность электронов,
а «отрицательной» — дырок. Отсюда следует, что в том случае,
когда мы хотим. понизить теплопроводность соединения, исполь-
используемого в качестве материала для положительной ветви термоэле-
термоэлемента, не уменьшая при этСм подвижность дырок, мы должны ча-
частично заместить катионы; в материале для отрицательной ветви,
напротив, следует замещать анионы.
Как указывалось выше, для обеспечения в материале термо-
термоэлемента оптимальной концентрации носителей в него должны
быть введены примесные атомы (донорные либо акцепторные).
В теллуриде висмута донорное либо акцепторное действие при-
Рис. 7. Зависимость эффектив-
эффективной массы (—) и (а%) для
\т0/
твердого раствора Bi2Te3—
Bi2Se3 от содержания Bi2Se3.
27

wo
месного атома целиком определяется его валентностью. Элементы
седьмой и шестой групп (включая избыток теллура по отношению
к стехиометрическому составу) дают донорные уровни, а элементы
с меньшим количеством электронов (включая избыток висмута
по отношению к стехиометрическому составу) являются акцеп-
акцепторами. При этом если сопоставить влияние данной примеси на
концентрацию носителей и их подвижность, то удается сделать
более или менее убедительные заключения относительно того,
как размещаются примесные атомы в решетке кристалла.
Так, например, избыточный висмут: 1) дает по одному акцеп-
акцепторному уровню на атом, 2) сильно снижает подвижность дырок,
3) мало влияет на подвижность элек-
электронов. Все эти три факта свидетель-
свидетельствуют о том, что избыточные атомы
висмута частично замещают теллур
в анионной субрешетке. Например,
избыточный теллур: 1) дает по одно-
одному электрону на атом, 2) сильно
снижает подвижность электронов и
3) слабо влияет на подвижность ды-
дырок, т. е., судя но всему, локализу-
локализуется в катионной субрешетке. Избы-
Избыточный иод дает по 1.5 электрона на
атом и приблизительно одинаково
влияет на подвижность дырок и элек-
электронов; можно поэтому полагать, что
атомы иода распределяются более
или менее равномерно между обеими
субрешетками и, замещая висмут, да-
дают два электрона, а замещая теллур, — один. Свинец, по-видимо-
по-видимому, замещает частично висмут, так как его атомы являются акцеп-
акцепторами и резко снижают подвижность электронов. Серебро
является донором, одинаково влияет на подвижность дырок и
электронов и обладает аномально большой диффузионной способ-
способностью; все это говорит в пользу того, что атомы серебра распо-
располагаются в междоузлиях решетки теллурида висмута.
В заключение необходимо упомянуть о зависимости эффектив-
эффективности термоэлектрического материала от температуры.
Согласно C7),
Рис.
лей
О 25 Si
Sbje3,°/o
3. Подвижность носите-
в твердом растворе
Bi2Te3—Sb2Te3 (р и га-типов)
в зависимости от содержания
Sb2Te3.
Следовательно, температурная зависимость z определяется
температурными зависимостями подвижности и теплопроводности
кристаллической решетки.
В твердых растворах Bi2Te3—Bi2Se3 и Bi2Te3—Sb2Te3, являю-
являющихся- в настоящее время лучшими материалами для термоэле-
28

ментов, теплопроводность кристаллической решетки в широком
интервале температур мало меняется, подвижность носителей
лри низких температурах (Т < 250° К) обычно обратно пропор-
пропорциональна температуре U — Г, при высоких U — Т~2.
Следовательно, в области низких температур z — \[Т, в об-
области высоких z — и вблизи 250° К z достигает максималь-
ного значения.
Необходимо отметить, что соображения о температурных хо-
ходах U и z, приведенные выше, носят качественный характер.
В действительности эти ходы варьируются в довольно широких
пределах в зависимости от ряда факторов, и приведенные выше
рассуждения о их температурной зависимости и добротдости сле-
следует считать ориентировочными.

Глава III
УЧЕТ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФАКТОРОВ1
Приведенные выше основные соотношения, характери-
характеризующие работу термоэлемента, были сделаны с рядом допущений,
которые, однако, не нарушили качественный ход рассуждений.
Для более строгого анализа процессов, происходящих в термо-
термоэлементе, рассмотренную теорию следует дополнить, учиты-
учитывая ряд факторов.
§ 1. УЧЕТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ
В выражениях C4) и C5), определяющих оптимальную
концентрацию носителей и оптимальную величину термоэдс
в значении добротности z, полная теплопроводность была для
простоты рассуждений заменена теплопроводностью кристал-
кристаллической решетки; Учтем теперь теплопроводность электрон-
электронного газа. Согласно C1) и C2), выражение для z приобретает
вид
(С — In ttJ
где
2^f)% D0)
Мт)'
Ue
. D1)
Условие-т- = О дает трансцендентное уравнение для опре-
определения оптимального п, которое мы обозначим п{.
In щ — Ыпй~ 2Вп1 D2)
1 Автором этой главы является Л. С. Стильбанс (см.: Полупроводники
в науке и технике, т. И, гл. XVII. Изд. АН СССР, М.—Л., 1957).
30

или
D3)
Так как уже при и = и0 /?ио = -2£ обычно меньше единицы,
мы вправе разложить левую часть выражения D3) в ряд и
ограничиться в разложении первым членом (ошибка при этом
не превзойдет нескольких процентов). Следовательно,
Уравнение D2) можно точно решить графически. Для этого
его удобнее переписать, воспользовавшись C1), в следующем
пиде:
Построив а согласно C1) и правую часть выражения D5)
как функции от п, мы найдем гсх как абциссу точки пересече-
пересечения этих кривых.
Очевидно, что поправка будет тем больше, чем больше
отношение подвижности к теплопроводности решетки.
§ 2. УЧЕТ ТЕПЛОТЫ ТОМСОНА В ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ
БАЛАНСЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТА
Как следует из C4) и C5), наилучшими для полу-
проводвйшовых термоэлементов являются вещества, в которых
ко. ни ент термоэдс постоянен:
а = 2—=172 мкв/град.,
а й« ентрация носителей меняется по закону
п ~ Т\
В теории, изложенной в гл. I и II, рассмотрены эти идеаль-
услРвия, ПРИ которых коэффициент Томсона
практике же, как упоминалось выше, в качестве мате-
для ветвей термоэлементов используются обычные полу-
31

металлы, т. е. вещества, в которых концентрация носителей
постоянна, и термоэдс увеличивается с ростом температуры.
В этом случае коэффициент Томсона отличен от нуля и выра-
выражается следующим образом:
т = -|- ■ —=129 мкв/град. D6)
Мы должны теперь учесть влияние теплоты Томсона на теп-
тепловой баланс термоэлемента. Это влияние скажется прежде
всего на распределении температур вдоль ветвей термоэлемента.
До сих пор мы предполагали, что градиент температуры вдоль
ветвей термоэлемента постоянен и плотность теплового потока
на холодный спай термоэлемента в соответствии с этим выра-
выражается формулой
Qt = *%L^-. . D7)
Влияние теплоты Джоуля на распределение температуры
учитывалось приближенно; полагалось, что половина ее посту-
поступает на горячий спай термоэлемента и половина — на холод-
холодный. Для тога чтобы решить задачу более строго, следует
найти распределение температуры вдоль ветви термоэлемента
с учетом теплоты Джоуля и Томсона и затем — плотность тепло-
теплового потока по точной формуле:
QI==—*VT. D8)
Направим ось х вдоль ветви термоэлемента и совместим
начало координат с холодным спаем термоэлемента; тогда D8)
примет следующий вид:
QT = — х№ =0. D9)
Для вычисления Q? согласно D9) нам нужно узнать распре-
распределение температуры вдоль ветви термоэлемента:
T=f(x).
При этом по-прежнему не будем учитывать температурную
зависимость теплопроводности и электропроводности, заменяя
их истинные значения как функции температуры среднимрг зна-
значениями в рабочем интервале температур. В термоэлектрогене-
термоэлектрогенераторе и электроны, и дырки движутся от горячего спая к хо-
холодному; здесь во всем объеме ветви термоэлемента в дополнение
к теплоте Джоуля выделяется теплота Томсона; в термоэлеккро-
холодилышках и электроны, и дырки движутся в обратном
направлении, и поэтому теплота Томсона вычитается из теплот
Джоуля. Следовательно, условие стационарности для
32

объема ветви термоэлемента в рассматриваемом нами случае
будет иметь вид
где / — плотность тока.
Решение дифференциального уравнения E0) при учете гра-
граничных условий (Т = Тх при х = 0 и Т = То при х = 1) имеет вид
1-е
где введены следующие обозначения: jp = iv и fx = wT. Следо-
Следовательно, согласно D9) и E1), поток тепла на холодный спай
E2)
1-е
Разлагая экспоненту в выражении E2) в ряд и ограничи-
ограничиваясь в разложении двумя первыми членами, лолучим
^^lj^o-T1,). E3)
Мы, таким образом, доказали, что действительно в первом
приближении половина теплоты Джоуля поступает на холод-
холодный спай; с помощью E3) можно телерь учесть влияние теплоты
Томсона на холодильный коэффициент термоэлемента е. Выра-
Выражение A4) для холодопроизводительности термоэлемента с уче-
учетом E3) примет следующий вид:
Q^m-viTo-TJ—LPR + ziTo-JJI, E4)
где /7 = 2а1Г1, а а: — значение коэффициента термоэдс при тем-
температуре Ту Следовательно, выражение E4) может быть пере-
переписано так:
Qo = 2&T-J - х (То - Т) - -1 PR, E5)
где введено обозначение
Покажем, что а равно среднему значению коэффициента
термоэдс в интервале температур То—Т^.
3 Б. А. Коленко 33

Согласно второму соотношению Томсона
п\ da ^ г
Подставляя E7) в E6), получим
7' Аа ~ go~ai
—i -^г_ Го-Т1
I 1 / \ аЛ " аО
к = а1 + у(яо —ai)= 2 V
С той же степенью точности можно считать электродви-
электродвижущую силу
т
*(r-r) E8)
Следовательно, выражение A6) для холодильного коэффи-
коэффициента термоэлемента с учетом E8) и F5) примет вид
2aIT1 — -|- 1Ш - у. (То — Ту)
Выражение E9)-«имеет тот же вид, что и A6), с той лишь
разницей, что коэффициент термоэдс а, который мы раньше
считали не зависящим-.от температуры, заменен его средним
значением (а) в рабочем интервале температур. Следовательно,
не повторяя выкладок, которые были приведены выше, мы
вправе написать выражение для максимального холодильного
коэффициента:
F0)
02
Можно также показать, что температурная зависимость
электропроводности и теплопроводности может быть в первом
приближении учтена заменой в выражении для z произведе-
произведения хр его средним значением в рабочем интервале температур:
где
* — Г1 Г* 1
кр — Го-?! J Ч
34

§ 3. ОТСТУПЛЕНИЯ ОТ ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
Выше мы нашли соотношение сечений ветвей термо-
эдемента, при котором z достигает максимального значения;
были также найдены оптимальная электропроводность, опти-
оптимальный ток и т. д.
На практике в силу трудно контролируемых отклонений
от технологического процесса ни одно из этих условий точно
не выполняется. Поэтому важно установить, в какой мере
отступления от оптимальных условий влияют на эффективность
работы охлаждающего устройства.
Отступление от оптимального соотношения,
сечений ветвей
Как указывалось выше, z обратно пропорционально
произведению сопротивления термоэлемента на его теплопровод-
теплопроводность:
z=K-°2J F1)
хр * v '
где .
F2)
достигает минимального значения при определенном соотно-
соотношении сечений ветвей т:
m»=(lr)=VW-' F3)
при этом
Выясним, насколько отступления от F3) влияют на z.
Согласно F2) и F4),
поделив числитель и знаменатель правой части F5) на
получим
Pmta С2
где коэффициент
а в подавляющем большинстве случаев с большой степенью
точности равен 2.
3* 35

Таким образом,
| Az| жр — «Pnun I (m —
полагая, например, то=1.5 и ш = 1, получим
Дг , „,
Отступление от оптимальной концентрации
носителей
F8)
Согласно C4), числитель <х2а вьфажения для z дости-
достигает максимального значения при определенной концентрации
носителей и электропроводности. Выясним, насколько пони-
понизится эффективность термоэлемента, если электропроводность
ветвей будет несколько отличаться от оптимального значения.
Простые вычисления, которые мы опускаем, дают следующий
результат:
Соотношение F9) показывает, что" зависимость а2о, а следо-
следовательно, и z, от о вблизи точки о=^=а0 носит тот же характер,
что и зависимость z от т вблизи точки т = т0; например, из-
изменение о на 20°/0 вызывает уменьшение z всего на 1%.
Отступление от оптимального значения
силы тока
При работе термоэлемента в условиях полной тепло-
тепловой изоляции холодного спая, согласно A) и E),
ДГ = -
Л7—4"
йДГ /7 7Д й2Д7 Д
Разлагая ЛГ в ряд Тейлора вблизи точки / = /0, получим
после простых преобразований -
. Согласно G0), отступление плотности тока от оптимального
значения на 20°/0 обусловливает снижение АГ на 4°/0. ■
36

О значении г при отличающихся
параметрах ветвей
Представляет интерес решить еще один вопрос. Пред-
Предположим, что параметры ветвей термоэлемента неодинаковы:
и выясним, насколько z, вычисленное согласно A1), меньше,
чем zv т. е. насколько показатели термоэлемента в целом хуже
показателей лучшей ветви. Введем обозначения:
тогда
чем меньше удельное сопротивление данного материала, тем
Меньше для него k = \Jy.p; в пределе эта величина стремится
к постоянной в законе Видемана—Франца. Следовательно,
чтобы худшая ветвь не снизила значительно z, мы должны
таким образом подобрать концентрации носителей, чтобы выпол-
выполнилось неравенство

Глава IV
ТЕРМОГАЛЬВАНОМАГНИТНЫЕ
МЕТОДЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
Как указывалось выше, температура на холодном спае
термоэлемента при оптимальном токе и отсутствии тепловой на-
нагрузки зависит от температуры горячих спаев и величины z ис-
используемого вещества. В теллуриде висмута, который • пока
является лучшим материалом для охлаждающих термоэлементов,
с понижением температуры уменьшается значение z, что в свою
очередь влечет за собой уменьшение перепада температур, обе-
обеспечиваемого термоэлементом. Как более подробно будет сказано
ниже (ч. II, гл. I, § 2), при температуре горячих спаев в —120°С
перепад температур на термоэлементе практически равен нулю.
В связи с этим в последние годы в литературе широко обсуждается
вопрос о возможности практического использования некоторых
термогальваномагнитных эффектов для целей глубокого пониже-
понижения температуры.
§ 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ
Как указывалось выше, эффективность полупроводни-
полупроводниковых сплавов на основе теллуридов висмута падает с понижением
температуры горячих спаев термоэлемента, и они оказываются
непригодными для целей глубокого охлаждения. Исследования
сплавов висмут—сурьма показали, что они в области низких тем-
температур обладают необ • . термоэлектрическими свойствами.
Так, например, при температурах ниже 220° К сплав, состоящий
из 95% (ат) висмута и 5% (ат) сурьмы, по своей эффективности
превосходит сплавы на основе теллуридов висмута. При темпера-
температуре 300° К величина z для указанного выше сплава равна
1.8 • 10~3 град.; в то же время при температуре жидкого азота
G7° К) величина z увеличивается до 4.8 • 10~3 град. (рис. 9).
Небезынтересно отметить, что при температуре 77° К величина z
для висмут-сурьмянистых сплавов в довольно широком интервале
незначительно зависит от состава сплава (рис. 10).
38

S0,
Расчетные перепады температур, которые может обеспечить
термоэлемент из Bi—Sb (га-ветвь) и Ш2Те3 (р-ветвь) при различных
температурах горячего спая, приведены на рис. 11. Из хода кри-
кривой видно, что при 100° К тер-
термоэлемент может обеспечить до-
дополнительное понижение темпе-
температуры на 10°.
При работе термоэлемента в
области сверхнизких темпера-
температур E—10° К) в качестве од-
одной из ветвей возможно исполь-
использовать металл, находящийся при
этой температуре в сверхпрово-
сверхпроводящем состоянии. В этом слу-
случае величина z такого термоэле-
термоэлемента будет определяться толь-
1.0
SO 100 ISO ZOO Z50 300 T'f
ко параметрами второй несверх-
несверхпроводящей ветви.
Рис. 9. Зависимость величины z для
сплава 95% Bi—5% Sb от темпе-
температуры (градиент температур вдоль
тройной оси кристалла).
fir
§ 2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Значительное возрастание величины z при низких тем-
температурах было обнаружено у висмут-сурьмянистых сплавов,
помещенных в магнитное поле. Под влиянием магнитного поля
происходит увеличение
термоэлектродвижущей
jf- — , силы и одновременно
электрического сопро-
сопротивления материала.
Причиной этого явля-
является влияние магнит-
магнитного поля на носители
тока в полупроводни-
полупроводнике — электроны и дыр-
дырки. Наибольший эффект
1 ■
@°K
I
- /
/
У
зоо'к
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
\
|Л
Sb,%
влияния магнитного
Рис. 10. Зависимость величины г от состава поля на Добротность по-
сплава при температуре 80° К п 300° К. лупроводникового ве-
вещества оказался у
сплава, состоящего из 88% висмута и 12% сурьмы. Монокри-
Монокристаллы из этого сплава помещались в магнитное поле, направлен-
направленное параллельно биссектрисной оси кристалла. При комнатной
температуре без магнитного поля z этого материала было равно
0.8 • 10~3 град.. При той же комнатной температуре, но магнит-
магнитном поле в 17 кэрстед величина z возрастает до 3 • 10~3 град..
В сплавах Bi—Sb с увеличением магнитного поля за счет увеличе-
39

max
Юг
ния значения термоэдс возрастает величина z, однако при опреде-
определенном значении напряженности поля из-за увеличения величины
сопротивления z начинает уменьшаться, переходя через максимум.
Значителен тот факт, что максимальная величина z при любых
температурах всегда в три раза больше, чем в случае отсутствия
магнитного поля.
Второй особенностью в поведении сплава Bi—Sb в магнитном
поле является увеличение z при понижении'окружающей темпе-
температуры. На рис. ^при-
^приведена зависимость ве-
величины z от темпера-
температуры для различных
значений напряжен-
напряженности магнитного поля.
При температуре около
100° К и поле в 1 кгс
z достигает значения
8.6-Ю-3 град..
Все приведенные вы-
выше данные относились
к сплаву с электронной
проводимостью. К со-
0 100 200 300 Т "К жалению, до настоящего
времени не удалось из-
изготовить дырочного ма-
материала с аналогичной
зависимостью свойств
от поля и температуры,
что не позволяет создать эффективного низкотемпературного тер-
термомагнитного элемента. Однако даже использование в качестве
положительной ветви теллурида висмута позволяет при поле
в 800 эрстед и температуре горячих спаев 77° К получить до-
дополнительное понижение температуры на 13—15°.
Следует обратить внимание на возможность создания ком-
комбинированного термоэлектрическо-термомагнитного охладителя,
в котором первые каскады являются термоэлектрическими, а по-
последний каскад — термоэлектрическим, но с магнитным полем.
40 -
го ■
Рис. 11. Максимальная разность температур,
обеспечиваемая термоэлементом, состоящим
из Bi(g5)SbE) (n-ветвь), BiaTe3 (р-ветвь).
§ 3. ТЕРМОМАГНИТНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ
(ЭФФЕКТ ЭТТИНГСГАУЗЕНА)
Под влиянием магнитного поля изменяются явления
переноса в проводнике, по которому протекает постоянный элек-
электрический ток. В результате этого возникает ряд так называемых
термомагнитных эффектов (поперечные — Холла и Риги—Ледюка
и продольные — Нернста и Эттингсгаузена). Для целей охлажде-
40

ния наибольший интерес представляет эффект Эттингсгаузена.
Этот эффект заключается в том, что при воздействии на проводник
магнитного поля в направлении, перпендикулярном к прохо-
проходящему сквозь него току, в
третьем направлении созда-
создается градиент температур
(рис. 13). Коэффициент Эт-
Эттингсгаузена Р определяется
из соотношения
— i н '
где Ix — величина тока; Hz —
напряженность магнитного
поля; ДГу — возникающий
градиент температур.
Одновременно с эффектом
Эттингсгаузена в образце воз-
возникает эффект Нернста, за-
заключающийся в том, что при
наличии градиента темпера-
температур и магнитного поля воз-
возникает поперечное электри-
электрическое поле. Эффект Нернста
термодинамически связан с эффектом Эттингсгаузена, так же
как эффект Зеебека связан с эффектом Пельтье.
Величина коэффициента Нернста Q
определяется из уравнения
too
200
300 Те К
Рис. 12. Зависимость величины z от
температуры при различных значениях
магнитного поля для сплава Bi—Sb.
Рис. 13. Схема возникно-
возникновения эффекта Эттингсгау-
Эттингсгаузена.
где г — возникающее электрическое
поле Нернста; Hz — магнитное поле;
ДГЖ — градиент температур.
Коэффициенты Нернста и Эттингс-
Эттингсгаузена связаны друг с другом соотно-
соотношением Бриджмена:
Строгий анализ явлений, имеющих место в термомагнитном
холодильнике Эттингсгаузена, приводит к весьма сложным урав-
уравнениям. Однако в первом приближении с достаточной степенью
точности можно упростить задачу,- в результате чего феноменоло-
феноменологические уравнения термомагнитного охлаждения становятся

похожими на соответствующие уравнения для термоэлектрического
охлаждения на эффекте Пельтье.
Рассмотрим принципиально возможное устройство холодиль-
холодильника Эттингсгаузена. В бруске прямоугольного сечения из соот-
соответствующего материала (рис. 14) сверху и снизу распола-
располагаются охлаждаемая и нагреваемая поверхности. Ширину и
высоту бруска, а также длину охлаждаемой поверхности обозна-
обозначим соответственно а, Ь и I. Температуру холодной и горячей
сторон обозначим через Т% и Тг. Ток, проходящий через брусок,
обозначим 1Х и, наконец, магнитное поле — И„.
Введем допущение, что величина коэффициента Нернста,
а также электропроводность и теплопроводность материала
бруска не зависят от температуры.
Тогда поток тепла Эттингсгаузена от
холодной к горячей стороне бруска
> будет равен
Я —
Рис. 14. При .-. альное где А; — коэффициент теплопроводно-
устройство холодильника сти материала бруска.
Эттингсгаузена. Согласно приведенному выше соот-
соотношению Бриджмена, это выраже-
выражение можно переписать в виде
_QHzIal
Я —
it AT
— Ma -r-.
dy
Одновременно с переносом потока тепла от холодной к го-
горячей плоскостям холодильника Эттингсгаузена под влиянием
проходящего тока в нем будет выделяться Джоулево тепло,
которое в слое единичной толщины в направлении у равно
ту.
При граничных условиях
выражение для количества тепла, отводимого в единицу вре-
времени холодильником Эттингсгаузена, будет иметь вид
ъ
14.
~2саЬ
Ыа (Тг - Тх)
Ь
Нетрудно заметить, что это уравнение имеет тот же вид,
что и выражение для холодопроизводительности в случае термо-
термоэлектрического охлаждения на эффекте Пельтье.
42

При этом члены QHJ/b, l/aab и klalb в уравнении для холо-
холодильника Эттингсгаузена соответствуют (аг—а2) R и к в уравнении
для холодильника Пельтье. В связи с этим можно сделать весьма
интересный вывод, что после соответствующей замены отдельных
членов все соотношения, характе-
характеризующие работу холодильника
Пельтье, могут быть применены и
к холодильнику Эттингсгаузена.
Так, например, коэффициент до-
добротности термоэлектрического хо-
холодильника может быть записан
в виде
Рис. 15. Геометрическая форма
холодильника Эттингсгаузена с
бесконечным количеством каска-
каскадов.
н
к
а выражение для максимальной раз-
разности температур соответственно
r _
■* max
Произведение коэффициента Эттингсгаузена Р на магнитное
поле II, получившее название коэффициента термомагнитной силы,
заменяет в термоэлектрических соотношениях коэффициент термо-
термоэлектродвижущей силы а. В связи
с тем что термомагнитный холо-
холодильник Эттингсгаузена состоит
из одной ветви, оптиматизации
геометрических размеров его не
требуется. Из этого следует, что
довольно просто сделать много-
многокаскадный холодильник с беско-
бесконечным количеством ступеней. Фор-
Форма такого холодильника приве-
приведена на рис. 15. Он представляет
собой четырехгранную усеченную
призму, боковые поверхности ко-
Рис. 16. Схема устройства холо- торой образуют экспоненты. Верх-
дильника Эттингсгаузена с ко- няя площадка призмы охлажда-
нечным количеством каскадов. ется, а нижнее основание нагре-
нагревается. Подобная форма охлади-
охладителя обусловлена тем, что по мере удаления от холодной поверх-
поверхности к горячей увеличивается тепловой поток. Таким образом,
в изотермических поверхностях, образованных сечением призмы
параллельно основанию, плотность теплового потока остается по-
постоянной. Холодильный коэффициент охладителя Эттингсгаузена
с бесконечным числом каскадов можно вычислить по соответствую-
соответствующим формулам для многокаскадной термоэлектрической батареи,
приведенным в гл. I, § 3.

156 К
Описанный выше холодильник Эттингсгаузена с бесконечным
количеством каскадов обладает одним недостатком — относительно
большая ширина основания не позволяет удобно разместить его
между полюсами магнита. В связи с этим был предложен другой
вариант холодильника, но уже с конечным количеством каскадов.
Схема устройства его приведена на рис. 16. Прямоугольной формы
йТ° элемент состоит по высоте из ряда
слоев, изолированных друг от
друга. Каждый слой имеет различ-
различную толщину, обусловленную той
холодопроизводительностью, кото-
которой он должен обладать. Здесь
может быть проведена полная ана-
аналогия с многокаскадным термоэле-
термоэлементом Пельтье.
Эксперименты по определению
ктивности холодильника Эт-
Эттингсгаузена проводились на мо-
монокристаллических образцах спла-
сплава, состоящего из 97% Bi и 8%
Sb. Образцу была придана форма,
приведенная на рис. 15. Магнит-
во
so
30
20
10
Т-77К
В
12
Рис. 17. Зависимость перепада
температур на холодильнике Эт-
Эттингсгаузена от напряженности
магнитного поля при различных
значениях температуры горячего
основания.
Нгкгс ное поле было направлено парал-
параллельно биссектрисной оси кри-
кристалла. Перепад температур воз-
возникал в направлении бинарной
оси. Результаты измерений зави-
зависимости Д71 от напряженности
магнитного поля для различных
значений температуры теплоотво-
дящего основания приведены на рис. 17. При этом геометрические
размеры образца были: длина 25 мм, высота 4.28 мм, ширина хо-
холодного основания 0.31 мм, ширина горячего основания 3.94 мм.
В последнее время в литературе обсуждается вопрос о воз-
возможности использования для целей охлаждения термомагнитного
эффекта в пиролитическом графите. Теоретическая оценка этого
эффекта показывает, что при температурах ниже 100° К можно
ожидать дополнительного снижения температуры до 10°. Величина
магнитного поля при этом имеет значение 104—105 гс.
Измерения, проведенные на пиролитическом графите, отож-
отожженном при температуре 3500° С, показали, что при 4.2° К вели-
величина z у него имеет максимум при йапряженности магнитного поля
в 500 гс. При этом значение ДГ было равно 2.9 • 10 град. Рас-
Расхождения в литературных данных относительно влияния магнит-
магнитного поля на величину z связаны с тем, что уменьшение z в силь-
сильных магнитных полях, по всей вероятности, обусловлено не-
неоднородностью образцов либо различной концентрацией носителей.

Часть II
ИНЖЕНЕРНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
Глава V
ОСНОВЫ РАСЧЕТА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ОХЛАЖДАЮЩИХ ПРИБОРОВ
§ 1. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТЕРМОБАТАРЕИ
Любое термоэлектрическое охлаждающее устройство
может работать в двух основных режимах — режиме максимальг
ного холодильного коэффициента етах и режиме максимальной
холодопроизводительности фшах- В первом случае прибор наиболее
эффективно будет преобразовывать потребляемую электрическую
энергию в «холод», во вотором случае в ущерб экономичности может
быть получено наибольшее по-
нижение температуры. Иными
словами, режим етах характе-
ризует наиболее экономичную
работу термоохлаждающего при-
прибора, в то время как режим
(?тах обеспечивает максималь-
максимальное количество отведенного теп-
тепла в единицу времени. На рис.
18 и рис. 19 приведены графиче-
графические зависимости холодильного
коэффициента и холодопроизво-
холодопроизводительности от перепада темпе-
температур на термоэлементе для слу-
случаев режима максимального холодильного коэффициента и макси-
максимальной холодопроизводительности. Следует отметить, что при-
приведенные зависимости относятся к термоэлементам, у которых
z=2.5 • 10~3 град. и температура горячего спая равна 25° С.
При А-Утах оба режима совпадают, однако при А71, отличаю-
отличающихся от максимального значения, холодопроизводительность
и холодильный коэффициент при этих режимах имеют различные
значения.
Так, например, в режиме етах при малых значениях А Г хоро-
дильныи коэффициент имеет значительную величину, стремясь
в пределе к бесконечности, в то время как в режиме @геах величина
холодильного коэффициента не может быть выше 50%.В свою
40 50 §ОйТ
Рис. 18. Зависимость холодильного
коэффициента (е) и холодопроизво-
холодопроизводительности (Q) от разности темпе-
температур j( АУ) для режима максималь-
максимального' холодильного коэффициента.

to
очередь холодопроизводительность в режиме е,^ имеет максимум
при АГ=30° и равна 1 вт. В режиме же Q^^ холодопроизводи-
холодопроизводительность термоэлемента при том же Д7|=30° равна .1.7 вт.
. Дз изложенного можно сделать следующий вывод,
В том случае, когда термоэлектрический прибор должен обе-
обеспечивать небольшой перепад температур, что имеет место, на-
например, в кондиционерах воз-
воздуха, его следует рассчитывать
^ Л***»*^ по формулам режима макси-
максимального холодильного коэф-
коэффициента. Когда же от прибора
требуется получить максималь-
максимальное охлаждение даже в ущерб
С 10 20 30 W 50 вОйТ экономичности, его необходимо
Рис. 19. Зависимость холодильного рассчитывать по формулам ре-
коэффициента (е) и холодопроизво- жима максимальной холодопро-
дительности (Q) от разности темпе- изводительности. Таким обра-
ратур (AT) для режима максималь- зом> приступая.к расчету тер-
нои холодопроизводителышсти. моэлектрического охлаждающе-
. го прибора, в первую очередь
необходимо установить, в каком режиме он будет работать, и в
соответствии с этим пользоваться расчетными формулами для
режимов emto или Q^^. В табл. 1 приведены соотношения, необ-
необходимые для инженерного расчета основных параметров термо-
термоэлектрического холодильника.
§ 2. РАСЧЕТ ТЕРМОБАТАРЕИ
Инженерный расчет термоохлаждающего прибора скла-
складывается из расчета термоэлектрической батареи и теплотехниче-
теплотехнического расчета системы отвода тепла от горячих спаев термобатареи,
теплоизоляции рабочей камеры прибора, расчета величины пара-
паразитных перепадов температуры в местах тепловых сопряжений
и т. д.
Определение теплотехнических параметров прибора столь же
необходимо, как и расчет термобатареи, так как всегда следует
помнить, что любой термоохлаждающий прибор представляет собой
единый конструктивный комплекс, в котором отдельные элементы
тесно взаимосвязаны.
При расчете термоэлектрической батареи в качестве исходных
данных обычно задается требуемая холодопроизводительность,
величина рабочего напряжения, лерепад температур, который
должен обеспечить прибор, и основные параметры используемого
вещества (а, а, к). Исходя из этих данных, в первую очереди не-
необходимо определить, в каком режиме будет работать прибор, и
в соответствии с этим пользоваться расчетными формулами для
режимов еюах или Qmsx.
46

Таблица 1
Формулы для расчета основных параметров термоэлектрических батарей
Вычисляемый Параметр
Расчетная формула
режим
режим Qmax
Оптимальный ток, а.
Падение напряжения, в.
Холодильный коэффи-
коэффициент.
Холодопроизводитель-
ность, вт.
Тепло, выделяющееся
на горячем спае, вт.
Мощность, потребляе-
потребляемая от источника пи-
питания, вт.
^0 =
-R(M-l) '
s(T0-T)M
M -1
—
-To-T M + l '
(MT-T0)(T0-T)
(MTV~T)(TO-T)\
w =
aT
R '
2(Го-Г)
zT
Ta-T
■■zW.
Примечание, а = «(+) + «(-j; М = VI -)-.,(к5 «(Г, + Г).

Дальнейший расчет термобатареи, например, для режима егам
ведется в следующей последовательности.
1. Определяется величина тепловой нагрузки Q на термобата-
термобатарею, которая складывается из теплопритоков извне, через тепло-
теплоизоляцию рабочей камеры Q г и тепловыделения в рабочем объеме
объектов, подлежащих охлаждению Q2.
Теплоприток через слой теплоизоляции определяется по сле-
следующей формуле:
о ЫАТ
где Я — коэффициент теплопроводности выбранного для теплоизо-
теплоизоляции материала; S — площадь теплоизоляции; AT — пере-
перепад температур по толщине слоя теплоизоляции; d — толщина
слоя теплоизоляции.
2. Определяется величина холодильного коэффициента термо-
термобатареи по формуле режима егаах.
3. Определяется мощность, потребляемая термобатареей от
источника питания, как частное от деления количества тепла,
приходящегося на термобатарею, на холодильный коэффи-
коэффициент, т. е.
4. Вычисляется падение напряжения на одном термоэле-
термоэлементе (ь>0), а затем, исходя из заданного напряжения питания
термобатареи (F), определяется количество термоэлементов
в термобатарее:
"о
5. Величина оптимального тока, питающего термобатарею,
определяется делением мощности, потребляемой от источника
питания, на падение напряжения на пей.
6. Сопротивление термобатареи можно определить по фор-
формуле
RaATN
а сопротивление одного термоэлемента по формуле
7. Геометрические размеры ветвей термоэлемента опреде-
определяются по формуле
l or
■"is" T"'
где I—: высота ветви термоэлемента; S — сечение ветви.
48 •

Так как геометрические размеры ветвей термоэлементов
определяются отношением площади сечения к высоте, возможно
использование ветвей любых размеров с сохранением отноше-
отношения -<т. Выбор соответствующих значений I и S должен быть
сделан в зависимости от ряда конструктивных требований,
предъявляемых к термоэлектрическому прибору, с учетом веса
термобатареи-, максимального уменьшения расхода полупровод-
полупроводникового вещества и ряда других факторов. Однако на прак-
практике высоту термоэлемента не следует брать меньше 3 мм,
так как при этом начинает играть заметную роль обратный
тепловой поток от горячих к холодным спаям. При расчете
термобатарей в режиме максимальной холодопроизводительности
для определения величины оптимального тока можно пользо-
пользоваться приближенной формулой, которая, однако, вполне удо-
удовлетворяет требованиям практики.
В режиме QttmK оптимальный ток равен
'=•5-.
но
/? 2/
Подставляя значение R в выражение для оптимального тока,
получаем
т • aTaS
1 ^^— "
21 щ
„. аТа
Величина —^— для используемых в настоящее время термо-
термоэлектрических материалов (Bi2Te3 -f- Bi2Se3 и Bi2Te3 -f- Sb2Te3)
является достаточно постоянной и равна 46—50. Однако с целью
снижения потребляемой термоэлементом мощности, что в свою
очередь уменьшает паразитные перепады температур на эле-
элементах конструкции, величина этого численного коэффициента
снижена до 36.
Таким образом, оптимальный ток можно вычислить по фор-
формуле
/ = 36 4-.
V
Соответственно при оптимальном токе падение напряжения
на одном термоэлементе будет постоянным и равным 0.075 в.
Расчет многокаскадных термоэлементов и термобатарей ведется
в последовательности, описанной выше. Однако при расчете макси-
максимального понижения температуры на многокаскадной термобата-
термобатарее следует принимать во внимание довольно сильно выраженную
4 В, Л, Коленко 49

зависимость величины электропроводности термоэлектрического
вещества от температуры. С понижением температуры горячих
спаев, что имеет место в случае многокаскадного термоэлемента,
электропроводность (а) возрас-
возрастает, и соответственно падение
напряжения на термоэлементе
уменьшается. Следствием этого
является уменьшение перепада
температур, обеспечиваемого
верхними каскадами многока-
многокаскадного термоэлемента.
На рис. 20 приведена экс-
экспериментально снятая зависи-
зависимость перепада температур на
однокаскадном термоэлементе
от температуры горячего спая.
В связи с этим в многокаскад-
многокаскадных термоэлементах для верх-
верхних каскадов, работающих при низких температурах горя-
горячих спаев, необходимо использовать вещества с пониженным
(при нормальной температуре) значением электропроводности,
с тем чтобы в рабочем режиме электропроводность возросла до
своего номинального значения. Эти рассуждения в основном от-
относятся к многокаскадным термоэлементам и термобатареям с по-
последовательным питанием каскадов.
-120
Рис. 20. Зависимость перепада тем-
температур (АГ) на однокаскадном тер-
термоэлементе от температуры горячего
спая (trop).
§ 3. РАСЧЕТ РАДИАТОРА ТЕПЛОСЪЕМА
Расчет системы теплоотвода от горячих спаев термоба-
термобатареи является самостоятельной задачей и рассматривается по-
подробно в гл. III. Однако в ряде случаев использования воздушных
радиаторных систем с естественно-конвекционным либо принуди-
принудительным теплосъемом можно воспользоваться упрощенными фор-
формулами, расчеты по которым удовлетворяют практическим требо-
требованиям. Суммарная площадь пластин в радиаторе с естественно-
конвекционным теплосъемом может быть определена по формуле
. aAT '
здесь Q — количество тепла, которое должен отвести радиатор,
ккал./час; ДГ — допустимый перепад температур между радиато-
радиатором и окружающей средой, "С; о — коэффициент теплопередачи
между радиатором и окружающей средой, ккал. /м2 • час • град.
Величина а зависит от многих факторов. При естественной кон-
конвекции а=3-^-5, при принудительном обдуве радиаторной системы
а=2(Н-100. В связи с этим при выборе системы теплоотвода от
термобатареи следует отдавать предпочтение радиаторной системе
50

с принудительным обдувом, так как она требует в 10—15 раз мень-
меньшей площади радиатора, что соответственно приводит к сокра-
сокращению габаритов прибора.
Геометрические размеры радиаторных пластин в случае есте-
естественно-конвекционного теплосъема можно определить по фор-
формуле
,_ 2Pd
где I — длина радиаторной .пластины; Р — количество тепла,
лодводимое к радиатору, ккал./час; Я, — коэффициент теплопро-
теплопроводности материала, из которого изготовлены пластины радиатора,
ккал./м • час • град.; h — толщина радиаторной пластины, м;
d — высота радиаторной пластины в направлении теплового по-
потока, м; AT — допустимый перепад температур по высоте радиатор-
радиаторной пластины, ° С.
Выше упоминалось, что использование радиаторных систем
с принудительным обдувом значительно эффективнее, чем радиато-
радиаторов с естественно-конвекционным теплообменом. Вопросы расчета
радиаторов с обдувом будут разобраны в гл. III, § 2. Здесь же
можно привести формулу, которой в первом приближении можно
воспользоваться при оценке работы обдуваемого радиатора.
Согласно этой формуле
Здесь Q — количество тепла, подводимое к радиатору, вт; W— мас-
массовый расход воздуха через радиатор, кг/сек.; Cv — удельная
теплоемкость воздуха при температуре радиатора; ДГ — зада-
задаваемая разность температур воздуха на входе и выходе радиа-
радиатора, ° С.

Глава VI
КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ОХЛАЖДАЮЩИХ ПРИБОРОВ
Большинство термоэлектрических охлаждающих при-
приборов состоит из трех основных конструктивных узлов: термоэлек-
термоэлектрической батареи, рабочей камеры или поверхности и системы
съема тепла от термобатареи. На определенном этапе создание
каждого из этих узлов является самостоятельной задачей. Однако
при конструировании прибора в целом необходимо учитывать
тесную взаимосвязь этих трех элементов конструкции друг
с другом.
В соответствии с этим рассмотрим основные принципы кон-
конструирования каждого из перечисленных узлов.
§ 1. ЕДИНИЧНЫЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТ
Любая термоэлектрическая батарея состоит из ряда
последовательно или параллельно соединенных термоэлементов.
Сам термоэлемент состоит из двух ветвей, одна из которых обла-
обладает электронной, а другая — дырочной проводимостью. Ветви
термоэлемента соединяются друг с другом посредством коммута-
коммутационных пластин. От правильного конструктивного решения еди-
единичного термоэлемента в значительной степени зависит качествен-
качественная работа всего термоохлаждающего устройства.
Основным требованием, которому должна удовлетворить ра-
рациональная конструкция термоэлемента, является устранение
или значительное уменьшение механических напряжений, воз-
возникающих в последнем в результате сжатия холодных и расширения
горячих коммутационных пластин.
Действительно, в термоэлементе образующие его ветви сверху
соединены припаянной к ним коммутационной пластиной. Снизу
также посредством пайки они соединяются с коммутационными
пластинами, которые через электроизолированные теплопереходы
припаиваются к теплоотводящей системе. Таким образом, отдель-
отдельные части термоэлемента, выполненные из материалов с разными
физическими свойствами, оказываются жестко связанными друг
52

с другом. К этому следует добавить, что коммутационные пластины
изготавливаются из материала с хорошей тепло- и электропровод-
электропроводностью и соответственно с большим коэффициентом линейного рас-
расширения.
При подключении к термоэлементу питающего напряжения
верхняя коммутационная пластина начинает охлаждаться и соот-
соответственно сжиматься. Нижняя, наоборот, начинает нагреваться
и расширяться. В результате этого возникает пара сил. Под влия-
влиянием этих сил в термоэлементе создаются значительные механи-
механические напряжения, которые могут привести к разрушению по-
последнего.
Поскольку полностью
устранить механические
напряжения не представ-
представляется возможным, было
разработано несколько кон-
конструкций термоэлементов,
в которых механические
напряжения снижены на-
настолько, что они не приво-
приводят к выходу термоэлемен-
термоэлемента иэ строя. Одна из них
предусматривает использо-
использование возможно более ко-
короткой холодной коммута-
коммутационной пластины. В соот-
соответствии с этим ветви тер-
термоэлемента не должны быть далеко разнесены одна от другой.
Второй из возможных конструктивных вариантов термоэле-
термоэлемента заключается в том, что холодная коммутационная пластина
изготавливается в виде рессоры (рис. 21, а)-. В этом случае под
влиянием возникающих в термоэлементе механических напряже-
напряжений она будет изгибаться, не выходя за пределы упругой дефор-
деформации. Естественно, что сечение рессоры должно быть таким,
чтобы проходящий через нее рабочий ток не выделял заметного
количества джоулева тепла.
На рис. 21, в изображена другая конструкция холодной ком-
коммутационной пластины, в которой сделано два идущих друг другу
навстречу смещенных тонких пропила. В месте Л образуется до-
достаточно тонкая перемычка небольшой длины, выполняющая роль
упругой пластины. Благодаря незначительной длине перемычка
не вносит значительного сопротивления в электрическую цепь
термоэлемента.
Другой путь уменьшения вредного влияния механических
напряжений, возникающих в термоэлементе, предусматривает
создание демпфирующих слоев между ветвями термоэлемента и
коммутационными пластинами. Демпфирующий слой должен быть
Рис. 21. Конструкции термоэлементов,
предусматривающие снижение механиче-
механических напряжений.
53

изготовлен из материала, обладающего достаточной пластичностью
и малым омическим сопротивлением.
На рис. 21, б показан термоэлемент, в котором роль демпфера
выполняют сравнительно толстые прослойки висмута 3 и 5, на-
нанесенные на ветви термоэлемента 4 и 8. Припайка ветвей к ком-
коммутационным пластинам 1 и 7 осуществляется легкоплавким комму-
коммутационным сплавом 2 и 6.
В рассмотренной конструкции термоэлемента толщина слоя
висмута не должна превышать 0.2—0.3 мм, так как в противном
случае этот слой будет обладать заметным электрическим сопроти-
сопротивлением. В качестве демпфирующего слоя можно использовать
тонкие свинцовые прокладки, помещенные между полупроводни-
полупроводником и коммутационными пластинами.
На рис. 21, г изображена конструкция подобного термоэлемента.
К обеим ветвям 3, предварительно залуженным легкоплавким
коммутационным припоем, припаиваются свинцовые пластинки
2 и 4. Затем к ним припаиваются верхняя 1 и нижняя 5 коммутаци-
коммутационные пластины. В результате хорошей пластичности свинца при-
применение таких демпфирующих прокладок практически полностью
снимает механические напряжения, возникающие в термоэле-
термоэлементе.
§ 2. МНОГОКАСКАДНЫЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ
Как указывалось выше, многокаскадный термоэлемент
позволяет получить перепад температур значительно больший,
чем однокаскадный. При этом, однако, уменьшается холодопроиз-
водительность термоэлемента. В ряде приборов, где тепловая на-
нагрузка на термоэлемент невелика, широко используются двухкас-
кадные термоэлементы. При конструировании их основные задачи
сводятся к осуществлению токоподвода ко второму каскаду и соз-
созданию электроизоляционного перехода между горячими • спаями
второго каскада и холодным спаем первого каскада. Создание
токоподводов для питания второго каскада термоэлемента —
весьма ответственная задача, так как токоподвод должен удовлет-
удовлетворять двум исключающим друг друга условиям. С одной стороны,
он должен обладать достаточным сечением, чтобы в нем не выде-
выделялось в значительном количестве Джоулево тепло, которое будет
создавать вредную тепловую нагрузку на термоэлемент, и, с дру-
другой стороны, токоподвод должен обладать большим тепловым со-
сопротивлением, чтобы свести к минимуму приток тепла через него
из окружающей среды к термоэлементу.
Наиболее рациональное решение этой проблемы — осуществле-
осуществление единого питания как первого, так й второго каскадов термо-
термоэлемента. Схема такой системы приведена на рис. 22. Она пре-
предусматривает параллельное питание каскадов. Сечение ветвей
54

У//////Л ©
Рис. 22. Двухкаскадный термоэлемент
с параллельным питанием каскадов.
термоэлементов и их количество в первом и втором каскадах рас-
рассчитывается таким образом, чтобы на второй каскад ответвлялся
ток, равный оптимальному значению для этого каскада. При расчете
геометрических размеров ветвей двухкаскадного термоэлемента
с параллельным питанием следует иметь в виду, что через крайние
ветви первого каскада проходит общий ток термоэлемента, в то
время как через средние ветви первого каскада и ветви второго
каскада проходит соответст-
соответственно 2/3 и 1/3 общего тока.
Как указывалось выше,
при параллельном питании хо-
лодопроизводительность вто-
второго каскада будет невелика,
в связи с чем подобные тер-
термоэлементы можно применять
в приборах с малой тепловой
нагрузкой.
В ряде случаев требуется создать двухкаскадный термоэлемент,
у которого холодопроизводительность второго каскада была бы
достаточно большой. Это осуществляется в системе двухкаскад-
двухкаскадного термоэлемента с последовательным питанием каскадов
(рис. 23). Термоэлементы первого каскада 1 через электроизоли-
электроизолированные коммутационные пластины 2 соединяются с термоэлемен-
термоэлементами второго каскада 3. Подключение питания к термоэлементу
производится в местах, обозначен-
обозначенных на рисунке стрелками. Выбор
оптимальных режимов работы пер-
первого и второго каскадов осуществля-
осуществляется путем соответствующего расчета
сечения и высоты ветвей термоэле-
термоэлементов .
Принципы параллельного и после-
последовательного соединения ветвей в
двухкаскадном термоэлементе могут
быть использованы и при конструи-
конструировании трехкаскадных термоэлемен-
термоэлементов с последовательным (рис. 24, а)
либо последовательно-параллел ьным
(рис. 24, б) соединением каскадов. В частности, в гигрометре для
определения влажности воздуха по точке росы для охлаждения
поверхности конденсации диаметром 20 мм был использован трех-
каскадный термоэлемент с последовательным питанием всех трех
каскадов. Этот термоэлемент имел перепад температур в 98° и
обеспечил температуру на третьем каскаде —78°. Для охлаждения
приемника ИК-излучения была использована трехкаскадная термо-
термобатарея с последовательно-параллельным питанием каскадов,
которая обеспечивала перепад температур в 102°.
Рис. 23. Двухкаскадный тер-
термоэлемент с последовательным
питанием каскадов.
55

При конструировании многокаскадных термоэлементов и термо-
термобатарей необходимо строго учитывать холодопроизводительность
отдельных каскадов так, чтобы нижележащие каскады были спо-
способны полностью принять тепло, выделяющееся на горячих спаях
верхних каскадов. Было установлено, что для эффективной работы
трехкаскадной термобатареи с последовательным питанием каска-
каскадов отношение количества термоэлементов в каскадах должно быть
не менее 1 : 3, т. е. на один термоэлемент третьего каскада должно
Рис. 24. Схема коммутации трехкаскадной термобатареи с по-
последовательным (а) и последовательно-параллельным (б) пита-
питанием каскадов.
быть 3 термоэлемента второго каскада и соответственно на 3 термо-
термоэлемента второго каскада должно быть 9 термоэлементов в первом
каскаде.
Следует отметить, что для эффективной работы многокаскадной
термобатареи при ее конструировании должна быть учтена зависи-
зависимость электропроводности материала термоэлементов от темпера-
температуры. Это значит, что в каждом каскаде должны быть исполь-
использованы вещества, у которых для данной температуры каскада
электропроводности были бы оптимальны.
Создание термоэлементов и термобатарей с количеством каска-
каскадов более трех сопряжено со значительными конструктивными
усложнениями, которые не оправдываются тем небольшим увели-
увеличением перепада температур, который дает четырехкаскадный
термоэлемент по сравнению с трехкаскадным.
§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ
Расчет охлаждающего устройства по исходным данным,
определяемым условиями эксплуатации, часто приводит к не-
необходимости создания термобатареи, состоящей из большого числа
56

термоэлементов. Нередко расчетное число термоэлементов может
достигать нескольких сот. Это позволяет использовать для пита-
питания термобатареи источники относительно высокого напряжения
и снимать с них небольшие рабочие токи.
Создание термобатареи, состоящей из многих термоэлементов,
связано с необходимостью изготовления большого количества
отдельных ветвей, сборки из них термобатареи и, что самое глав-
главное, осуществления коммутации большого количества термоэлемен-
термоэлементов. Коммутация термобатареи представляет собой одну из основных
операций в технологическом цикле изготовления охлаждающего
прибора. От качества выполнения этой операции в значительной
степени зависят параметры готового прибора.
Рис. 25. Схема термобатареи, залитой эпоксидным
компаундом.
В связи с тем что в большинстве случаев все термоэлементы
соединяются в термобатарее последовательно, . некачественная
пайка хотя бы одной коммутационной пластины либо нарушение
коммутации в процессе эксплуатации приводит к выходу из строя
всего прибора.
Кроме того, необходимость применения в слаботочных термо-
термобатареях ветвей малых размеров превращает коммутацию в чрез-
чрезвычайно сложную операцию, доступную только высококвалифици-
высококвалифицированным работникам. Создание сильноточной батареи — задача
более простая. Источником питания для нее могут служить вы-
выпрямители с выпускаемыми промышленностью германиевыми
или кремниевыми диодами.
Таким образом, выбор режима питания термобатареи является
весьма существенным обстоятельством и его решение должно учи-
учитывать не только эксплуатационные, но и конструкторско-техно-
логические факторы. При возможности всегда следует отдавать
предпочтение сильноточным термобатареям перед слаботочными.
В тех случаях, когда термобатарея представляет собой само-
самостоятельный конструктивно законченный узел, механическое
соединение отдельных элементов обычно осуществляется путем
заливки батареи в эпоксидный компаунд на основе смолы ЭД-6.
Выбор этого компаунда обусловлен тем., что он обладает хорошей
адгезией практически ко всем материалам, механически прочен
57

и имеет сравнительно низкий коэффициент теплопроводности.
Последнее особенно важно, так как сквозь компаунд идет обратный
тепловой поток от горячих спаев термобатареи к холодным, что
снижает эффективность ох-
J i лаждения. Лучшее конструк-
конструктивное решение (рис. 25) —
это заливка в эпоксидный
компаунд только нижней 1
и верхней 2 частей термоба-
термобатареи так, чтобы в средней
ее части (по высоте термоэле-
термоэлемента) имелся достаточный
воздушный промежуток. Для
исключения непосредствен-
непосредственного конвекционного тепло-
теплообмена между горячими и
холодными частями термо-
термоэлемента этот воздушный зазор заполняется мипорой или пено-
пенопластом 3. Коммутация термобатареи производится после заливки
компаундом, что позволяет в дальнейшем производить смену от-
отдельных коммутационных пластин в случае ремонта батареи.
Рис. 26. Разрез кольцевого термоэле-
термоэлемента.
Рис. 27. Разрез кольцевой термобатареи для домашнего хо-
холодил ьника.-
Обычно в термобатареях используются ветви прямоугольного
сечения. Между тем в охлаждающих устройствах с жидкостным
съемом тепла с успехом может быть использована кольцевая си-
система термоэлементов, предложенная А. Н. Ворониным.
58

Рис. 28. Схема расположе-
расположения элементов в линейной
термобатарее, обеспечиваю-
обеспечивающая частичную компенса-
компенсацию магнитного поля.
Конструкция кольцевого термоэлемента изображена на рис. 26.
Предварительно спрессованные положительная и отрицательная
ветви 1 и 2, изготовленные в виде колец, надеваются на залужен-
залуженные коммутационным сплавом металли-
металлические трубки 3 и 4, выполняющие
функции горячих коммутационных пла-
пластин. Между ветвями вкладывается слю-
слюдяная шайба 5. Снаружи на термоэле-
термоэлемент надевается металлическое кольцо
6, являющееся холодной коммутацион-
коммутационной пластиной.
Кольцо внутри предварительно залу-
живается коммутационным сплавом.
Подготовленная таким образом заго-
заготовка помещается в специальную го-
горячую прессформу, в которой произ-
производится окончательная прессовка полу-
полупроводников и одновременно с этим
припайка их к наружному и внутрен-
внутреннему кольцам.
Отдельные кольцевые термоэлементы
припаиваются друг к другу легкоплав-
легкоплавкими припоями и собираются в батарею. Затем к наружным коль-
кольцам термоэлементов припаиваются холодные радиаторные плас-
пластины. Во внутреннюю трубку подается проточная вода, снимаю-
снимающая тепло с горячих спаев.
На рис. 27 показан разрез блока коль-
кольцевой термобатареи, используемой в од-
одном из типов бытового холодильника с
жидкостным съемом тепла. Количество
термоэлементов, образующих кольцевую
термобатарею, должно быть таким, чтобы
суммарное падение напряжения на батарее
было меньше той разности потенциалов,
при которой начинается электролиз воды
A.8—2 е). Если количество термоэлемен-
термоэлементов столь велико, что суммарное падение
напряжения на батарее превышает указан-
указанное выше значение, внутреннюю поверх-
поверхность центральной трубки необходимо
электроизолировать от воды.
При работе . термоэлектрической бата-
батареи вокруг нее образуется магнитное поле.
Иногда оно оказывает отрицательное действие на охлаждаемый
объект. Создание специальных магнитных экранов не всегда бы-
бывает удобным. Поэтому для уменьшения величины магнитного по-
поля термобатареи термоэлементы в последней должны распола-
Рис. 29. Бифилярное
расположение элементов
в термобатарее. (Стрел-
(Стрелками показан путь про-
прохождения тока).
59

гаться в таком порядке, чтобы обеспечивалось бифилярное прохо-
прохождение тока.
На рис. 28 приведена подобная схема расположения термо-
термоэлементов в линейной термобатарее. Здесь в соседних рядах термо-
термоэлементов ток проходит в противоположных направлениях, в ре-
результате чего образованные этим током магнитные поля взаимно
компенсируются.
Другой конструктивный вариант бифилярной термобатареи
изображен на рис. 29. Магнитное поле термоэлементов, располо-
расположенных по внешнему кольцевому контуру, компенсируется магнит-
магнитным полем термоэлементов, расположенных по внутреннему кон-
ТУРУ1 в котором ток протекает в противоположном направлении.
Следует отметить, что в бифилярной термобатарее магнитное поле
устраняется неполностью. Лучшую компенсацию собственного
магнитного поля термобатареи можно получить, вводя дополни-
дополнительный компенсирующий виток, который по своей конфигурации
повторяет расположение термоэлементов в батарее. Он включается
последовательно с термобатареей, но таким образом, чтобы на-
направление проходящего сквозь него тока было обратным относи-
относительно направления тока в батарее. В результате этого в компен-
компенсирующем витке возникает магнитное поле такой же конфигура-
конфигурации, как и в термобатарее, но обратного знака, что вызывает их
взаимную компенсацию.
§ 4. ТЕПЛОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ ТЕРМОБАТАРЕИ
Для нормальной работы термоэлектрического охла-
охлаждающего устройства необходимо осуществить наиболее эффек-
эффективное тепловое сопряжение термобатареи с подлежащими охла-
охлаждению объемом либо поверхностью, с одной стороны, и системой
теплоотвода — с другой. Место теплового сопряжения должно
обладать малым тепловым сопротивлением и большим электросо-
электросопротивлением. Кроме того, при осуществлении теплового сопря-
сопряжения должно быть выполнено условие обеспечения надежной
механической прочности всех сопрягаемых узлов друг с другом.
В первых конструкциях термоэлектрических холодильников
A956 г.) тепловое сопряжение осуществлялось посредством слю-
слюдяной прокладки толщиной 15—20 мк. Для лучшего теплового
контакта поверхность слюды покрывалась тонким слоем минераль-
минерального масла. Теплопереход через слюду создавал паразитный пере-
перепад температуры в 10—12° при тепловых потоках 1 вт/см2.
Поскольку этот способ теплового сопряжения не обеспечивал меха-
механической прочности конструкции прибора, в дальнейших конструк-
конструкциях приборов сопряжение осуществлялось посредством алю-
алюминия, на котором в нужных местах электрохимическим путем
создавался тонкий @.5—1 мк) слой окиси алюминия (А1аО3).
Подлежащие сопряжению детали склеивались вместе посредством
60

эпоксидного компаунда. Схематически подобный узел изображен
на рис. 30. Здесь на алюминиевую плату 2, являющуюся основа-
основанием радиатора 3, нанесена пленка 1 окиси алюминия. Коммута-
Коммутационные пластины горячих спаев термобатареи приклеены к слою
оксида, а затем на них собирается термобатарея 4.
Предварительно поверхности сопрягаемых деталей тщательно
притирались на плоскость. Благодаря склейке эпоксидным ком-
компаундом эта система сопряжения обладала достаточной механиче-
механической прочностью. Паразитный перепад на электроизоляционном
слое (оксид4-смола) составлял 3—5° при потоке в 1 вт/см2. Однако
при нарушении электроизоляции хотя бы между одной коммута-
коммутационной пластиной и основанием требуется произвести разборку
всей термобатареи, что является
весьма трудоемкой операцией. Ста- Д*
ло очевидным, что наиболее тех-
технологичное тепловое сопряжение
термобатареи можно осуществить
через единичные теплопереходы,
размеры которых в каждом конк-
конкретном случае определяются конст-
конструкцией термобатареи. Кроме того,
что наиболее важно, использова-
использование единичных теплопереходов не
требовало разборки всей термоба-
термобатареи при выходе отдельных теп-
теплопереходов из строя. В связи с
этим все последующие конструкции термоохлаждающих прибо-
приборов собирались на единичных теплопереходах.
Были разработаны 5 типов теплопереходов, отличающихся друг
от Друга как своими теплотехническими параметрами, так и тех-
технологией изготовления.
В 1958 г. в ряде приборов стал применяться теплопереход,
состоящий из двух медных пластин определенного размера, склеен-
склеенных друг с другом термореактивным эпоксидным компаундом.
Электроизоляция между пластинами осуществлялась за счет тон-
тонкого @.1—0.2 мк) слоя окиси меди, полученной на медной поверх-
поверхности путем обработки ее в водном растворе персульфата калия и
едкого натра.1 После склейки й полимеризации эпоксидной смолы
теплопереход превращался в единую деталь, которая посредством
пайки легкоплавкими припоями помещалась между термобатареей
и системой теплоотвода. К недостаткам клееного теплоперехода
следует отнести частые случаи короткого замыкания из-за меха-
механического нарушения слишком тонкого слоя окиси меди. Создание
bv. еч толстого слоя окиси на меди химическим путем не представ-
представлялось возможным. Кроме того, слой смолы толщиной 10—15 мк
Рис. 30. Схема теплового сопря-
сопряжения термобатареи с оксидиро-
оксидированной алюминиевой радиатор-
радиаторной платой.
1 Рецептура ванны и режим оксидировки меди приведены в гл. IX, § 4.
61

обладал относительно большим тепловым сопротивлением, в ре-
результате чего при плотностях теплового потока в 1 вт/см2 пара-
паразитный перепад температур на теплопереходах был равен 3.7°.
Следующая конструкция электроизолированного теплопере-
хода предусматривала опять же склейку медных пластин, но череа
тонкую F мк) кабельную бумагу. Склейка осуществлялась термо-
термореактивным эпокс i :. м компаундом. Для уменьшения толщины
слоя компаунда между пластинами последние предварительно тща-
тщательно притирались на плоскость. Электрическая изоляция клее-
клееных через бумагу теплопереходов была значительно выше, чем
оксидированных. Случаев короткого замыкания практически
не наблюдалось. Этот тип теплопереходов позволяет производить
последующую их припайку более высокотемпературными при-
припоями. Конструкция теплоперехода с использованием бумаги в ка-
качестве электроизоляционного слоя, однако, оказалась трудоемкой
в изготовлении, так как необходимо было тщательно притирать
медные пластины на плоскость. Кроме того, в результате остаточ-
остаточных механических напряжений, возникающих в медных пласти-
пластинах при их механической обработке и притирке в процессе поли-
полимеризации эпоксидного компаунда при температуре 160—180°,
имело место некоторое коробление пластин, что ухудшало каче-
качество прилегания и соответственно увеличивало тепловое сопроти-
сопротивление теплоперехода.
В связи с этим была разработана система теплоперехода, сво-
свободная от перечисленных выше недостатков. Этот теплопереход
состоял из медной пластины, обработанной на плоскость с одной
стороны на токарном или фрезерном станке. Затем на обработан-
обработанную сторону медной пластины через бумагу толщиной 6 мк термо-
термореактивным эпокс s i : . компаундом наклеивалась предварительно-
обработанная с одной стороны на плоскость (методом проточки
или фрезерования) свинцовая пластина. На эту пластину сверху
помещается небольшой груз, который обеспечивает хорошее при-
прилегание свинца к меди в процессе полимеризации смолы. После-
Последующая припайка к теплопереходу ветвей термоэлемента произ-
производится со стороны свинца, который в данном случае является
одновременно и демпферным слоем, принимающим на себя меха-
механические напряжения, возникающие в термоэлементе.
На теплопереходах медь—бумага:—медь и медь—бумага—сви-
медь—бумага—свинец при потоке 1 вт/см2 паразитный перепад температуры был
равен 2.3°.
Принципиально новая система электроизолированного тепло-
теплоперехода была предложена А. Г. Щербиной. Этот гофрированный
теплопереход, схема которого приведена на рис. 31, образован
двумя медными полосами 1 и 4 толщиной 0.1 мм с бумажной про-
прокладкой 3 между ними толщиной 50—80 мк. Такой цакет на спе-
специальном станке формуется в «гармошку», после чего пропиты-
пропитывается термореактивным эпоксидным компаундом 2. За счет боль-
62

шой поверхности прилегания медных полос тепловое сопротивление
между ними, даже несмотря на относительно толстый слой бу-
бумаги, оказывается весьма малым. Сверху и снизу к гофрам при-
припаиваются медные прокладки, для того чтобы разгрузить тонкую
медь гофр от тока, питающего термобатарею. По этим же наклад-
накладкам осуществляется припайка теплоперехода в приборе.
Гофрированный теплопереход медь—бумага—медь не может
работать во влажной атмосфере, присущей кондиционерам и не-
некоторым другим приборам, так как из-за гигроскопичности бу-
бумаги сопротивление теплоперехода значительно падает. Для ра-
работы в условиях повышенной
влажности вместо бумаги в ка-
качестве электроизоляционного
слоя применяют ленточный фто-
фторопласт. Теплопереходы на фто-
фторопласте не теряют своих элек-
электроизоляционных свойств, даже
будучи полностью погруженны-
погруженными в воду. Однако из-за несма-
несмачиваемости фторопласта эпок-
эпоксидной смолой в гофрах тепло-
теплоперехода остается воздух, нали-
наличие которого ухудшает тепло-
теплотехнические свойства теплопе-
теплоперехода. Паразитный перепад
температур, отнесенный к тому
же потоку в 1 вт/см2, на гофри-
гофрированном теплопереходе с фторопластом был равен 2.1°, в то
время как на гофрированном теплхшереходе с бумагой он был ра-
равен 1.7°.
К недостаткам гофрированных теплопереходов следует отнести
их относительно большую высоту (~6 мм), что особенно нежела-
нежелательно в многокаскадных термобатареях, и небольшие обратимые
деформации теплоперехода под влиянием изменения температуры.
Эти деформации в ряде термоохлаждающих приборов совершенно
недопустимы.
Наилучшим по всем параметрам следует признать теплопере-
теплопереход, который сделан из керамики, заключенной между двумя
медными пластинами. Основное достоинство керамического тепло-
теплоперехода перед всеми другими заключается в его простоте, надеж-
надежности, технологичности и высоких электрических и тепловых пара-
параметрах. В качестве электроизоляции в теплопереходах обычно
используют алюмино-оксидную керамику (алунд), у которой при
комнатной температуре коэффициент теплопроводности почти
приближается к таковому у стали. Механическая прочность алун-
довой керамики весьма высокая (временное сопротивление на раз-
разрыв 1250 кг/см2, на сжатие — 15 000 кг/см2). Срмое существенное,
Рис. 31. Схема устройства гофриро-
гофрированного теплоперехода.
63

Вт/см'
что в ряде отраслей промышленности, и в частности в конденса-
конденсаторной, уже давно освоен метод металлизации керамики, позво-
позволяющий в дальнейшем надежно припаивать ее к металлу. Неболь-
Небольшой коэффициент линей-
линейного расширения (— 6 •
• 10 ~в) практически полно-
полностью исключает «гуляние»
теплоперехода под влия-
влиянием изменяющейся тем-
температуры. Керамические
теплопереходы допускают
многократную пайку всеми
мягкими и даже твердым
, , , припоем без какого-либо
5 6 7 8 лТ,°С нарушения своих свойств.
Следует отметить, что
существующее у некото-
о
Рис. 32. Зависимость паразитного пере-
перепада температур от величины теплового
потока для различных теплопереходов.
1 — оксидированная склейка; 2 — склейка через
бумагу; з — гофра (фторопласт); 4 — гофрабу-
мага; 5 — керамический.
рых мнение о большой
перспективности теплопе-
теплопереходов с керамикой из
окиси бериллия — безос-
безосновательно, так как, хотя
окись бериллия и обладает феноменально большим коэффициен-
коэффициентом теплопроводности, чрезвычайно большая токсичность вряд ли
позволит применять ее в теплопереходах. Алундовый теплопере-
ход обладает наименьшим из всех известных паразитных перепа-
перепадов температуры. При плотности потока 1 вт/см2
перепад на этом теплопереходе был равен 1.3°.
На рис. 32 приведены экспериментально сня-
снятые зависимости паразитного перецада темпе-
температур на различных типах теплопереходов от
плотности теплового потока.
Небезынтересно отметить еще один способ
изготовления керамического теплоперехода. Спо-
Способ этот заключается в следующем. Сначала
медная основа методом «напыла» (шоопирова-
ние) покрывается слоем окиси алюминия толщи-
толщиной 0.2—0.5 мм. Затем сверху этого слоя опять
же «напылом» наносится слой меди толщиной
1—1.5 мм. После соответствующей тепловой
нормализации и механической обработки по-
получается керамический теплопереход с до-
довольно высокими электрическими и тепловыми свойствами.
При тепловых потоках через теплопереход, превышающих
3 вт/см2, и невозможности сильно развить его поверхность можно
использовать конструкцию, схематически изображенную на
рис. 33.
Рис. 33. Разрез
теплоперехода для
больших тепловых
потоков.
G4

В медную деталь 1, имеющую снизу канал 2 для прохождения
снимающей тепло воды, помещается алюминиевая бобышка 3
с напаянной на нее медной пластинкой 4. Поверхность алюминие-
алюминиевой бобышки методом электрохимического анодирования покры-
покрывается тонким A—3 мк) слоем окиси алюминия, после чего бо-
бобышка заливается легкоплавким сплавом 5. Подобный теплопереход
использован в некоторых типах высоковакуумных термоэлектри-
термоэлектрических ловушек.
§ 5. КОНСТРУКЦИИ СИСТЕМ ТЕПЛООТВОДА
Для съема тепла с горячих спаев термобатареи служит
система теплоотвода. В термоэлектрическом приборостроении
используется одна из трех основных систем теплоотвода: радиатор
с естественно-конвекционным теплообменом, радиатор с принуди-
принудительным теплосъемом и жидкостная система. В зависимости от
конструкции и условий эксплуатации термоохлаждающего при-
прибора в нем может быть использована одна из перечисленных выше
систем. Наиболее просты по устройству, но наименее эффективны
радиаторные системы с естественно-конвекционным теплообменом.
Эти системы применяются в слаботочных термобатареях с термо-
термоэлементами, расположенными на относительно большой площади.
Для отвода 1 вт тепловой мощности радиатором с естественной кон-
конвекцией требуется около 2.5 дм2 площади пластин. В связи с этим
такие системы обладают большими габаритами и весом. В качестве
материала для изготовления радиатора лучше всего использо-
использовать медь любой марки либо, если это невозможно, чистый алю-
алюминий марки «А-00» или «АО».
Припайку пластин к основанию радиатора в случае исполь-
использования меди лучше всего производить твердым припоем
ПСР-15Ф5 (сильфос). Алюминиевый радиатор спаивается оловом
с использованием флюса 34-А. При любом конструктивном офор-
оформлении следует всегда радиаторные ребра располагать вертикально
вверх. Горизонтально расположенные ребра радиатора работают
во много раз менее эффективно. Для улучшения коэффициента
теплообмена поверхность ребер следует чернить. Медные ребра
чернятся методом оксидировки в персульфате калия. Алюминием
вые радиаторы оксидируются, а затем окрашиваются в черный цвет
анилиновыми красителями.2
Воздушные радиаторы с принудительным теплосъемом в силу
большого коэффициента теплоотдачи значительно компактнее и
легче радиаторов с естественно-конвекционным теплообменом.
Материалом для радиатора опять же служат медь либо чистый алю-
алюминий. В отличие от описанных выше радиаторных систем эта
система не требует линейного расположения радиаторных пластин
1 Способ чернения меди и алюминия описан в гл. IX, § 4.
5 Е. А. Коленко

и их вертикального расположения. Радиаторы с обдувом очень
часто имеют круговую форму, причем пространственное располо-
расположение пластин не играет роли. Обдув радиаторной системы обычно
осуществляется малогабаритным электродвигателем с большим
количеством оборотов (9—10 тыс. в 1 мин.).
На ось двигателя закрепляется трех- либо шестилопастная
крыльчатка с углом поворота лопастей 30°. Направление поворота
лопастей должно быть таким, что-
чтобы вентилятор работал не на нагне-
нагнетание воздуха, а на отсос. Это тре-
требование обусловлено тем, что при
работе на отсос поступающий на ра-
радиатор поток воздуха обдувает также
и электродвигатель, чем создаются
более благоприятные условия для его
работы. В противном случае при ра-
работе на нагнетание поток тепла, вы-
выделенного двигателем, будет пере-
переноситься на радиатор, ухудшая его
работу. При линейном расположе-
расположении радиаторяых пластин их длину
нельзя делать слишком большой, так
как этим самым увеличивается аэро-
аэродинамическое сопротивление ра-
радиатора, что ухудшает его пара-
параметры.
Как об этом подробно будет го-
говориться ниже (гл. III, § 2), радиа-
радиаторные системы с обдувом следует
делать с линейно расположенными
ребрами (рис. 34, 1) либо, что луч-
лучше, с короткими по длине ребрами (рис. 34, 2). Если величина
аэродинамического сопротивления радиатора не играет сущест-
существенной роли, т. е. вентилятор имеет запас мощности, можно ре-
рекомендовать радиаторную систему, в которой четные ряды корот-
коротких пластин вдоль потока воздуха несколько наклонены по от-
отношению к пластинам нечетных рядов (рис. 34, 3). Угол наклона
не должен превышать 15—20°. Такой радиатор работает весьма
эффективно.
При конструировании радиаторной системы кругового типа
для уменьшения длины пути воздуха необходимо воздушный по-
поток разделить пополам так, как это изображено на рис. 35. Здесь
термобатарея 1 плоскостью горячих спаев припаяна к корпусу
радиатора 2. Кольцевые ребра 3 выточены непосредственно в кор-
корпусе радиатора. Снаружи радиаторные пластины закрываются
цилиндрическим кожухом 4, к которому припаян патрубок с раз-
размещенным в нем малогабаритным электродвигателем 5. Поток
Рис. 34. Конструкции линей-
линейных радиаторных систем, ра-
работающих в режиме принуди-
принудительного теплосъема.
66

воздуха, создаваемый крыльчаткой 6, засасывается через окно
в кожухе 7 и, обтекая с двух сторон радиаторные пластины, вы-
выходит через патрубок наружу.
Рассмотрим основные конструктивные варианты жидкостных
систем теплоотвода. В наиболее простой системе к металлическому
коллектору горячих спаев термобатареи прикреплена рубашка,
по которой проходит проточная вода.
3 Z
Рис. 35. Конструкция круговой радиаторной систе-
системы, работающей в режиме принудительного' тепло-
съема.
Второй вариант предусматривает создание каналов для воды
непосредственно в теле коллектора. Наиболее рационально с кон-
конструктивной и технологической точек зрения создавать каналы
для прохождения воды непосредственно в горячих коммутацион-
коммутационных пластинах. В ряде приборов, описанных в ч. III, жидкостная
система съема тепла осуществлена именно таким способом.
На рис. 36 изображена схема водяной системы теплоотвода,
применяющаяся в микротомном столике и микрохолодильнике
для лабораторных целей. Латунные бруски квадратного сечения 1
имеют каналы 2, по которым проходит вода, подключаемая к шту-
штуцерам 3. Бруски электроизолированы друг от друга прессшпано-
выми прокладками 4. В соответствующих местах прокладки имеют
отверстия для прохода воды. Подготовленный таким образом узел
5* 67

заливается в термореактивный эпоксидный компаунд 5, после
чего подвергается механической обработке.
Термоэлементы припаиваются непосредственно к брускам,
что исключает заметные паразитные температурные перепады.
Подобная система теплоотвода мо-
может работать при больших тепло-
тепловых потоках, достигающих 10—
20 вт/см2.
Некоторые типы термоохлаж-
термоохлаждающих приборов по условиям
эксплуатации не могут быть жест-
жестко связаны с системой электропи-
электропитания и водоснабжения. Примером
тому может служить ряд термо-
термоэлектрических охлаждающих при-
приборов, описанных в ч. III (гл. XII).
В этом случае электропитание при-
прибора осуществляется через гибкий
кабель из провода ГОЦ. Однако не-
необходимость подачи на прибор
больших токов связана с примене-
применением токоподводящих проводов
большого сечения, что создает оп-
определенные неудобства в эксплуа-
эксплуатации приборов. Кроме того, в
данном случае, кроме токоподво-
прибору необходимо подвести и два
Рис. 36. Система жидкостного
теплосъема, выполненная непо-
непосредственно в горячих коммута-
коммутационных пластинах.
дящих проводов, к
шланга для подачи и слива воды.
В подобных термоохлаждающих приборах можно применять
комбинированную систему электроводопитания, схема которой
Рис. 37. Разрез комбинированного водотокоподвода.
приведена на рис. 37. Здесь токоподводящая шина 1, изготовлен-
изготовленная из гибкого кабеля ПЩ, заключена в резиновую трубку 4.
Между шиной и трубкой имеется зазор, в котором проходит вода.
Шина в местах 7 припаяна к клеммному узлу 2 и муфте 3, которая
соединяется с термобатареей. Вода, поступающая через штуцер 5,
68

омывает шину и проходит через отверстия 6. По аналогичной схеме
к прибору подключается второй полюс питания и слив воды.
Такая система позволяет значительно уменьшить сечение токопод-
водящих шин, так как последние непрерывно омываются водой.
Так, например, в термоэлектрическом криоэкстракторе при се-
сечении гибкого токоведущего провода всего лишь 3 мм2 через него
проходит ток 90 а.
§ 6. РАБОЧАЯ КАМЕРА ПРИБОРА
Если термоэлектрический прибор предназначен для
понижения температуры в некотором объеме рабочей камеры,
к ее конструкции предъявляются определенные требования.
Рабочая камера прибора должна быть изготовлена из материала,
обладающего хорошей теплопроводностью (медь или алюминий).
-Это необходимо для выравнивания температуры внутри объема
камеры.
Для осуществления хорошего теплового сопряжения рабочей
камеры с термобатареей последняя коммутируется электроизоли-
электроизолированными теплопереходами, описанными выше, а рабочая камера
должна быть припаяна к этим переходам. Для уменьшения тепло-
притока из окружающей среды в рабочую камеру последняя
должна быть защищена слоем теплоизоляции.'Его толщина опре-
определяется расчетным путем (гл. V, § 2).
В качестве теплоизоляционного материала обычно применяется
пенопласт или другой материал, обладающий малым коэффициен-
Таблица 2
Основные данные о некоторых
теплоизоляционных материалах
Теплоизоляционный
материал
Минора
Пенопласты ....
Аэрогель
Пеностекло ....
Пенополистерол . .
Полиуретан ....
Стеклянная вата . .
Удельный
вес,
г/см4
0.02
0.005-0.015
0.009
0.5
0.016
0.012
0.04
Коэффициент
теплопровод-
теплопроводности,
ккал./м2 • час ■ град.
0 36—0.12
0.03—0.08
0.023
0.1—0.15
0.035
0.02
0.07
том теплопроводности. Основные данные некоторых теплоизоля-
теплоизоляционных материалов приведены в табл. 2. В отдельных случаях
возможно применение мипоры. Однако пенопласты обладают ря-
рядом преимуществ перед мипорой. Одно из них заключается в том,
69

что пенопласт хорошо механически обрабатывается, и поэтому
из него могут быть изготовлены детали различной формы.
Следует указать на возможность создания конструкции термо-
охлаждающего прибора, в котором в значительной степени умень-
уменьшается паразитный теплоприток в рабочую камеру из окружающей
среды. Это достигается расположением термобатарей вдоль всех
стенок прямоугольной рабочей камеры. В этом случае отпадает
необходимость в теплоизоляции камеры прибора.
Примером конструкции камеры такого типа является один
из вариантов испытательной термоэлектрической микрокамеры,
описанной в гл. IX, § 2.
В случае, если необходимо создать прибор, обладающий зна-
значительной холодопроизводительностью, но с относительно неболь-
небольшим объемом рабочей камеры, термобатарею делают из нескольких
яезависимых частей, каждая из которых припаивается в соответ-
соответствующем месте к камере.
Второй тип испытательной термоэлектрической микрокамеры
(гл. IX, § 2) сконструирован именно по этому принципу. На мед-
медную камеру прямоугольной формы снаружи к четырем боковым
поверхностям и к\дну припаяны термоэлектрические двухкаскад-
ные термобатареи. Такая конструкция, кроме обеспечения до-
достаточно большой холодопроизводительности, исключает возник-
возникновение заметных градиентов температуры внутри камеры, что
неизбежно при расположении термобатареи с одной какой-либо
стороны камеры (чаще всего на дне).

Глава VII
СПОСОБЫ ОТВОДА ТЕПЛА
ОТ ТЕРМООХЛАЖДАЮЩИХ ПРИБОРОВ
■ ■ • . , Минимальная температура на
холодных спаях термобатареи достигается, когда с горячих спаев
производится отбор выделяющегося на них тепла, поэтому нор-
нормальная работа любого термоохлаждающего прибора в значитель-
значительной степени зависит от эффективности системы теплоотвода. Вы-
Выбор той или иной системы теплоотвода зависит от ряда факторов,
обусловленных конструкцией прибора и условиями его эксплу-
эксплуатации.
В настоящей главе описываются некоторые способы теплоот-
теплоотвода, используемые в термоохлаждающих приборах, работающих
как в стационарных, так и в нестационарных условиях. Здесь же
рассматриваются возможные методы теплоотвода от термоохла-
термоохлаждающих приборов, которые по условиям эксплуатации должны
работать ограниченное время в автономной аппаратуре.
§ 1. РАДИАТОРНАЯ СИСТЕМА С ЕСТЕСТВЕННО-
КОНВЕКЦИОННЫМ ТЕПЛООБМЕНОМ
Во многих конструкциях термоэлектрических охла-
охлаждающих приборов в качестве теплоотводящей системы исполь-
используется воздушный радиатор с естественно-конвекционным тепло-
теплообменом. Вопросу расчета. подобных систем посвящено много ра-
работ, однако в большинстве из них дается лишь чисто качественный
расчет. Соотношениями, приведенными в этих работах, не всегда
удобно пользоваться при инженерном конструировании радиатор-
радиаторной системы. В то же время известно, что радиаторная система,
удовлетворяющая практическим требованиям, может быть рас-
рассчитана по приближенным формулам, использование которых зна-
значительно облегчает методику расчета.
Приведем расчет наиболее часто встречающейся на практике
радиаторной системы с равноотстоящей системой плоских ребер.
В качестве исходных данных для расчета должны быть заданы:
71

1) допустимый перепад температур между радиатором и окру-
окружающим воздухом;
2) тепловая мощность, выделяемая на горячих спаях термо-
термобатареи, которую должен отвести радиатор;
3) коэффициент теплопередачи радиатор—воздух;
4) коэффициент теплопроводности материала, из которого из-
изготовлены радиаторные пластины.
Площадь радиаторной системы с естественно-конвекционным
съемом тепла может быть с достаточной степенью точности опре-
определена соотношением
F—Я-
айТ '
где F — суммарная площадь всех поверхностей теплообмена ра-
радиатора, м2; Q — тепловая мощность, которую должен отвести
радиатор от термобатареи, ккал./час; а — коэффициент тепло-
теплопередачи радиатор—воздух (ккал./м2 • час • град.); АГ — допу-
допустимый перепад температур между радиатором и окружающим
воздухом.
Численное значение коэффициента теплопередачи при условии
естественно-конвекционного теплообмена обычно лежит в преде-
пределах 3—5 ккал./м2 • час • град. Однако величина этого коэффи-
коэффициента зависит от ряда факторов и в первую очередь от простран-
пространственного расположения радиаторных пластин. Для вычисления
численного значения величины коэффициента теплообмена для
различно расположенных радиаторных систем можно пользо-
пользоваться нижеприведенными соотношениями:
а) для радиатора с системой ребер, расположенных горизон-
горизонтально,
б) для радиатора с системой ребер, расположенных верти-
вертикально вверх, ,
4/
в) для радиатора с системой ребер, расположенных верти-
вертикально вниз,
arm = 4./01/ —,
где AT — разность температур между радиатором и окружающей
средой; L — высота вертикальной поверхности радиаторных пла-
стин, м; I — наименьшая сторона ■ горизонтальной поверхности
радиаторных пластин, м.
72

Для учета конвекционного теплообмена с окружающей средой
торцовых поверхностей радиаторных пластин можно пользо-
пользоваться формулой
где б — толщина радиаторной пластины, мм.
При расчете эффективности воздушной радиаторной системы
мы в основном принимаем во внимание коэффициент конвекцион-
конвекционного теплообмена между поверхностью радиатора и окружающей
средой. Однако в процессе теплоотвода от радиатора, помимо кон-
конвекционного теплообмена, играет роль также и теплообмен излу-
излучением. Работами Г. Н. Покровской было установлено, что даже
при низких температурах степень иэлучательной способности ра-
радиаторной поверхности играет довольно существенную роль в про-
процессе теплообмена. На основании этого были сделаны выводы,
что поверхность ребер воздушных радиаторных систем, работаю-
работающих даже при низких температурах B0—50°), необходимо спе-
специальным образом обрабатывать для придания им максимальной
иэлучательной способности.
Для учета коэффициента теплообмена между радиатором и
окружающей средой за счет излучения с достаточной степенью
точности можно пользоваться следующим соотношением:
(—V-
, о ЧЮО/
Здесь Т — средняя температура радиатора, ° К; Тс — темпера-
температура окружающей, среды, ° К; Ь — расстояние между ребрами,
м; h — высота ребер, м; 8 — степень черноты ребер радиатора.
Степень черноты различных материалов, из которых могут
быть изготовлены или которыми покрыты радиаторные системы,
приведена в табл. 3.
Как указывалось выше, приведенные соотношения для расчета
естественно-конвекционной радиаторной системы являются в зна-
значительной степени приближе: : . , однако они позволяют произ-
производить необходимые практические расчеты с погрешностью, не
превышающей 10—15%.
Если при естественно-конвекционном теплообмене коэффи-
коэффициент а обычно равен 3—5, то при принудительном обдуве ради-
радиаторной системы значение а возрастает до 100. В соответствии
с этим в радиаторной системе с принудительным обдувом площадь
радиаторных пластин может быть значительно уменьшена. Однако
при конструировании радиаторных систем с принудительным тепло-
съемом возникает ряд дополнительных условий, которыми опре-
определяется расстояние между ребрами, высота и длина ребер, сте-
степень шероховатости, расход воздуха и ряд других величин-
73

Таблица 3
Степень черноты некоторых материалов, используемых для
изготовления и покрытия радиаторных систем
Материал
Алюминий полированный
Алюминий с шероховатой поверх-
поверхностью ....
Алюминий сильно окисленный . .
Алюминиевая краска
Латунь прокатанная
Латунь прошкуренная
Медь полированная
Медь шабреная
Медь окисленная
Стальной лист
Сталь листовая окисленная ....
Лак черный матовый
Лак черный блестящий
Сажа ламповая
Сажа с жидким стеклом .....
Шеллак черный блестящий на железе
Температура,
°С
50-500
20—50
50—500
20
20
20
50—100
20
50
50
50
40—100
20
20-400
20—200
20
Степень
черноты
0.04—0.06
0.06—0.07
0.2—0.3
0.2—0.3
0.06
0.2
0.02
0.02
0.6
0.56
0.88
0.96—0.98
0.87
0.95
0.96
0.92
§ 2. РАДИАТОРНАЯ СИСТЕМА С ПРИНУДИТЕЛЬНЫМ
ТЕПЛОСЪЕМОМ
Как указывалось выше (гл. I, § 3), в радиаторных
системах с принудительным теплосъемом (обдувом) коэффициент
теплоотдачи радиатор—воздух может достигать значения 100 и
более, т. е. почти на полтора порядка больше, чем в случае есте-
естественно-конвекционного теплосъема. Однако вследствие слож-
сложности расчета радиаторных систем с принудительным теплосъе-
теплосъемом этому вопросу практически не уделяется места ни в одном иэ
пособий по теплотехнике и теплофизике. Мы воспользовались
приводимыми ниже расчетами А. М. Рамадана, хотя они и не
могут претендовать на полную математическую строгость.1
В том случае, если радиаторная система через соответствующие
теплопереходы припаяна к горячим коммутационным пласти-
пластинам термоэлектрической батареи, то пренебрегая паразитными
перепадами на теплопереходах, величина теплосъема радиатора
будет определяться соотношением:
й)-«- <72>
Здесь Q — количество тепла, подлежащего сбросу радиатором;
1 Материалы этого параграфа взяты из диссертационной работы
А. М. Рамадана «Интенсификация теплоотдачи в устройствах термоэлектри-
термоэлектрического охлаждения», выполненной в Ленинградском технологическом ин-
институте холодильной промышленности в 1963 г.-
74

Fx — площадь поверхности радиаторных пластин; F2 — площадь
основания между ребрами; FS=F\-\-F2 — полная теплообменная
площадь радиатора; аср — средний коэффициент теплоотдачи;
t г — температура горячего спая термобатареи; t2 — температура
окружающей среды; В — коэффициент оребрения, равный част-
частному от деления полной теплообменной поверхности радиатора
на общую площадь основания радиатора; Сх — коэффициент,
характеризующий геометрию мест соединения радиатора с термо-
термобатареей, определяемый как частное от деления суммарной пло-
площади горячих спаев полупроводников на суммарную площадь
горячих коммутационных пластин; С2 — коэффициент, характери-
характеризующий тепловое сопротивление между горячим спаем термоба-
термобатареи и основанием радиаторной системы, равный частному от
деления средней температуры основания ребра на температуру
горячего спая термобатареи.
Входящая в формулу G2) величина Zcp называется средней
эффективностью ребер радиатора и определяется как
Здесь ts — средняя температура ребра радиатора; £4 — средняя
температура основания радиатора.
Из приведенной формулы видно, что для повышения эффектив-
эффективности радиатора необходимо увеличить коэффициент оребрения В,
эффективность ребра Zcp и коэффициент теплоотдачи ребра аср.
Средний коэффициент теплоотдачи радиаторной системы может
быть определен по формуле
Q
где tg — средняя температура основания ребра; остальные ве-
величины, входящие в формулу, были объяснены выше.
Как в радиаторных системах с естественно-конвекционным
теплосъемом, так и с принудительным обдувом основное сопротив-
сопротивление тепловому потоку от ребра в окружающую среду сосредо-
сосредоточено в тонком пограничном слое воздуха у стенки ребра. С умень-
уменьшением толщины этого пограничного слоя увеличивается коэф-
коэффициент теплоотдачи поверхности ребра. Было установлено, что
в трубчатых теплообменниках, в которых продувается воздух,
коэффициент теплообмена сильно зависит от отношения длины
трубы (L) к ее диаметру (d). С уменьшением величины этого от-
отношения коэффициент теплоотдачи возрастает за счет того, что
на внутренней поверхности короткой трубы не успевает образовы-
образовываться пограничный слой воздуха значительной толщины. В связи
с этим радиаторную систему с принудительным теплосъемом сле-
следует делать в виде отдельных коротких пластинчатых ребер,
расположенных линейно с разрывом друг от друга. Важной ве-
75

личиной, характеризующей радиаторную, систему с принудитель-
принудительным обдувом, является гидродинамическое сопротивление тре-
трению, которое испытывает поток воздуха, движущийся вдоль
пластин радиатора. Для радиаторной системы, состоящей из
линейно расположенных ребер с разрывом по длине, величина
гидродинамического сопротивления определяется из формулы
__ АНСТ
71 —
Здесь Д Нст — перепад статического давления на входе и вы-
выходе радиатора; Wy — весовая скорость воздуха (кг/м2 • сек.),
равная
где / — суммарная площадь проходного сечения радиатора, м2 ;
G — массовый расход воздуха, кг /час.
Зависимость величины среднего коэффициента теплообмена от
весовой скорости воздуха, определенная для радиатора с ли-
линейно расположенными ребрами с разрывом, приведена на рис. 38
(кривая 1). Для сравнения на этом же графике приведена кри-
кривая B), снятая на радиаторе с линейно расположенными ребрами
без разрыва. Геометрические размеры используемых радиаторов
следующие.
Для радиатора с разрывом
Длина радиаторной пластины вдоль потока воздуха . . 6.25.мм
Высота пластины 30 мм
Толщина пластины 0.2 мм
Расстояние между пластинами 1.5 мм
Размер разрыва между гругшами ребер 1.25 мм
Количество пакетов пластин в радиаторе 35
Отношение LjdBK 2
Для радиатора без разрыва
Длина пластин 260 мм
Высота пластины 30 мм
Толщина пластины 0.2 мм
Расстояние между пластинами 3 мм
Отношение LjdBK 44
Из рис. 38 видно, что средний коэффициент теплоотдачи у ре-
ребер с разрывом почти в два раза больше, чем у радиаторов без
разрыва пластин. Экспериментально было также установлено, что
величина разрыва не сильно влияет на эффективность радиатора.
Падение статического давления в зависимости от весовой ско-
скорости воздуха представлено на рис. 39. Кривая 1 соответствует
радиаторной системе без разрыва, а кривая 2 — радиатору с раз-
разрывом. Параметры исследованных, радиаторов те же, что и при-
приведенные выше. Из этого рисунка видно, что падение статического
давления в радиаторе с разрывом значительно выше, чем в ра-
76

диаторе без разрыва. Этого, кстати, следовало ожидать, так как
в радиаторной системе с разрывами турбулизация воздушного
потока значительно больше, чем в радиаторе со сплошными реб-
ребрами. Отсюда естественным является и большой коэффициент
трения у радиатора с разрывом по сравнению со сплошным. Было
также установлено, что величина коэффициента трения обратно
пропорциональна отношению L/d3K радиатора. Изменение длины
т
too
во
60
to
10
A
1
100
80
60
W
i го
г
—у
/
/
б б to го за
Щ,
I t В дЮ 20 3D
Щ, кг/мг-сек
Рис. 38. Зависимость среднего ко- Рис. 39.- Падение статиче-
эффициента теплообмена (аср) от ве- ского давления воздуха,
совой скорости воздуха (Wf), про-
продуваемого через радиатор.
проходящего через радиа-
тор (ДЯСТ), в зависимости
от весовой скорости ()
разрыва между ребрами незначительно изменяет коэффициент
трения.
На основании изложенного можно сделать следующие пред-
предварительные выводы.
1. В случае использования радиатора с линейным располо-
расположением пластин вдоль пластин следует делать разрывы, величина
которых определяется конструкцией термобатареи и габаритами
радиатора, но размеры этих разрывов должны лежать в пределах
1—10 мм.
2. Если позволяет конструкция термобатереи, радиаторная пла-
пластина должна быть выполнена таким образом, чтобы ее основание
являлось одновременно коммутационной пластиной термоэлемента.
3. Геометрические размеры радиатора должны быть таковы,
чтобы отношение LldBK лежало в пределах 2—5.
§ 3. ИГОЛЬЧАТЫЕ РАДИАТОРНЫЕ СИСТЕМЫ
Одно из достоинств термоэлектрических охлаждающих
приборов — зто возможность создания сосредоточенных термо-
термобатарей, в которых отдельные термоэлементы расположены близко
77

друг к другу. Однако сосредоточение термоэлементов на небольшой
площади термобатереи требует создания со стороны горячих
спаев эффективных компактных поверхностей теплообмена.
Использование радиаторов с естественно-конвекционным тепло-
теплообменом иэ-эа низких значений коэффициента теплообмена не
позволяет создать компактную конструкцию системы тепло-
отвода. Радиаторные системы с принудительным обдувом позво-
позволяют получить коэффициенты теплообмена в 8—10 раз большие,
чем в системах с естественной конвекцией.
Известно, что для этих систем коэффициент теплообмена пла-
пластинчатых ребер зависит от скорости газового потока и геометрии
взаимного расположения радиаторных пластин. При этом умень-
уменьшение ширины пластины в направлении потока обдувающего
воздуха приводит к увеличению коэффициента теплообмена.
Однако значительное уменьшение ширины радиаторной пластины
при данной ее толщине приводит к возрастанию перепада темпера-
температур по высоте ребра, что при интенсивной теплоотдаче практи-
практически полностью аннулирует выигрыш в увеличении коэффициента
теплообмена.
Эффективность теплоотдачи радиаторной пластины, обдувае-
обдуваемой воздухом, может быть в значительной степени повышена,
если пластина имеет большое теплопроводящее сечение по отноше-
отношению к ее периметру. Ребром подобного типа является игла. Та-
Такие радиаторные системы называются игольчатыми.
Был проведен ряд экспериментов по исследованию коэффи-
коэффициента теплоотдачи игольчатых радиаторных систем, работающих
в условиях естественной конвекции. В результате этих работ
было установлено, что для системы игл, расположенных в шах-
шахматном порядке, турбулиэация воздушного потока в радиатор-
радиаторной системе резко увеличивает ее аэродинамическое сопротив-
сопротивление. В то же время заметное увеличение коэффициента тепло-
теплоотдачи наступает при скорости потока воздуха 0.04—0.05 м/сек.,
что соответствует числу Рейнольдса Re=9. При требуемом пе-
перепаде температур между радиатором и окружающей средой
в 4—5° такие скорости воздушного потока не могут быть обеспе-
обеспечены в условиях естественной конвекции.
При принудительном обдуве игольчатой системы радиаторов
коэффициент их теплоотдачи может быть значительно повышен
и может достигнуть значений 100—200 ккал./м2 • час • град.
Рассмотрим в общих чертах работу игольчатой радиаторной
системы, обдуваемой потоком воздуха. Обдув одиночной иглы
круглого сечения при Re=0.25. характеризуется спокойным
обтеканием иглы потоком. При Re=2 начинается заметное воз-
возмущение потока в кормовой части иглы, а при Re=9 эта форма
возмущения получает свое полное развитие. С увеличением тур-
булизации воздушного потока вблизи иглы возрастает коэффи-
коэффициент теплообмена между иглой и движущимся воздухом. С воэ-
78

растанием величины Re увеличивается сопротивление радиатора
потоку воздуха. Весьма важным является взаимное располо-
расположение отдельных игл в радиаторе. При коридорном располо-
расположении игл поток воздуха имеет лами- а-ч
нарный характер и коэффициент тепло- ~~сГ
отдачи увеличивается незначительно^
При шахматном расположении игл воз-
воздушный поток оказывается сильно тур-
булиэованным, что приводит к резкому
увеличению коэффициента теплоотдачи.
Следует отметить, что коэффициент
теплоотдачи имеет различное значение
по окружности цилиндра, образующего
радиаторную иглу.
На рис. 40 приведена зависимость
интенсивности теплоотдачи по окруж-
окружности иглы, обдуваемой потоком воз-
воздуха, для двух значений числа Рей-
нольдса: Re=10 (кривая 1) и Re=
4 • 10* (кривая 2). Из хода кривых
видно, что для эффективной работы
игольчатого радиатора необходимо вы-
выбирать соответствующее направление
потока воздуха, обдувающего иглы. Оптимальные параметры
игольчатой радиаторной системы с иглами, расположенными в
1дапп шахматном порядке, будут
при следующем их располо-
расположении:
ВО 120 180 (f
Рис. 40. Зависимость теп-
теплоотдачи иглы от угла ме-
между направлением воздуш-
[ местом теп-
лосъема.
2:0
1.6
1.2
42- = 1.25 и -^-=1.08,
и и
где S1 — продольный шаг
системы игл; 52 — попереч-
поперечный шаг системы игл; d —
диаметр иглы.
Эти условия относятся к
скоростям воздушного пото-
потока, при которых Re ^ 300.
Аналитическое определе-
определение численного значения
коэффициента теплоотдачи
игольчатых радиаторных си-
систем является довольно сложной теплотехнической задачей. Од-
Однако в первом приближении для оценки значения этого коэф-
коэффициента можно воспользоваться соотношением
„ — <?
1.2 1.6 ЛЬ 24 2.8 Iga.
Рис. 41. Зависимость истинного коэф-
коэффициента теплоотдачи (а) от приве-
приведенного коэффициента (а„р).

где апр — приведенный коэффициент теплоотдачи, учитывающий
сопротивление теплопереходу по массе и поверхности игольчатой
системы; Q — количество тепла, переданное радиаторной системе
от термобатареи (ккал./час); Fc — разность между средней тем-
температурой иглы и температурой окружающей среды; Н — сум-
суммарная поверхность всех игл радиатора, м2.
Для определения истинного значения коэффициента тепло-
теплоотдачи а можно воспользоваться графиком, ивображенным на
рис. 41, где приведена зависимость апр=/ (а).
Следует отметить, что соотношение для определения приве-
приведенного коэффициента теплоотдачи является сугубо приближен-
приближенным, справедливым при предположении, что скорость обдува
радиаторной системы соответствует числам Рейнольдса, лежащим
в пределах Re=10-^-100.
§ 4. ЖИДКОСТНАЯ СИСТЕМА С ЕСТЕСТВЕННОЙ
ЦИРКУЛЯЦИЕЙ
В некоторых типах термоохлаждающих приборов (на-
(например, в бытовых холодильниках) на горячих спаях термоэлек-
термоэлектрической батареи выделяется тепло в сравнительно большом
количестве. Для снятия этого тепла путем естественной конвекции
в окружающий воздух требуются радиаторные системы с пло-
площадью в несколько квадратных метров.. Б таких систе-
системах коэффициент теплоотдачи обычно не превышает 3—
5 ккал./м2 * час • град. Весьма существенным затруднением в ис-
использовании подобных систем является создание эффективного
теплового сопряжения радиаторной пластины с источником тепла.
Так как площадь горячего спая термоэлемента обычно не превы-
превышает нескольких квадратных сантиметров, то в этом месте воз-
возникают тепловые потоки большой плотности, что снижает коэф-
коэффициент теплопередачи ребро—воздух.
В связи с этим возникла необходимость в рассредоточении
теплового потока горячих спаев термобатареи. Один иэ возмож-
возможных вариантов решения этой задачи, предложенный А. Н. Воро-
Ворониным и С. Г. Платоновой, заключается в использовании проме-
промежуточного жидкого теплоносителя, естественно циркулирующего
в замкнутой системе. При этом способе теплоотвод от горячих
спаев термоэлектрической батареи осуществляется водой.
Теплая вода обменивается местами с более холодной, создавая
самоциркулирующий поток в замкнутой системе. В определенном
месте такая система снабжается радиаторными ребрами, с которых
производится сброс тепла в окружающий воздух. Схематично
устройство системы теплоотвода с использованием естественно
циркулирующей жидкости приведено на рис. 42.
Горячие спаи термоэлектрической батареи 1 снабжены ра-
радиаторными пластинами 2, погруженными в воду 3, находящуюся
80

в герметическом баке 4. Под влиянием нагрева от радиаторов
теплая вода поднимается по трубам 5, которые для уменьшения
теплообмена с окружающим воздухом, что может нарушить само-
цйркуляцию, окружены слоем теплоизоляции 6. Поступая во
внешние трубки 7, вода охлаждается эа счет теплообмена с окру-
окружающим воздухом. Для интенсификации теплообмена служат
радиаторные пластины 8. Охлажденная вода поступает в бак 4,
и процесс непрерывно повторяется.
За счет уменьшения паразитных тепловых перепадов между
горячими спаями термобатареи и водой, где удельные тепловые
Z 3
Рис. 42. Схема жидкостной системы тепло-
отвода с естественной циркуляцией жидко-
жидкости.
потоки имеют наибольшую величину, удается получить коэф-
коэффициенты теплопередачи горячий радиатор—вода, равные 100—
150 ккал./м2 • час • град., т. е. в 20—30 раз большие, чем при
естественно-конвекционной системе теплообмена.
Следует отметить, что со стороны теплосброса система тепло-
отвода с промежуточным теплоносителем должна иметь такую же
площадь радиаторов, как и в случае естественно-конвекционной
системы. Однако удельные тепловые потоки от воды на воздух
в этом случае будут настолько незначительны, что поверхность
теплообмена может быть выполнена из материалов с достаточно
низкой теплопроводностью, например из пластмасс.
Количественная оценка эффективности системы теплоотвода
с использованием промежуточного теплоносителя состоит из
гидродинамического расчета замкнутого контура, в котором
самоциркулирует вода переменной плотности, и теплотехниче-
теплотехнического расчета коэффициента теплопередачи. Гидродинамический
расчет ведется в следующей последовательности.
1. Количество циркулирующей в системе воды
G-.
, кг/час,
6 Е. А. Коленко
81

где Qo — мощность, выделяющаяся на горячих спаях термоба-
термобатареи, ккал./час; ех и е2 — энтальпия воды соответственно при
наиболее низкой и наиболее высокой температурах в контуре.
2. Задаваясь скоростью циркуляции воды в системе, опреде-
определяем суммарное проходное сечение подъемных труб контура:
и=-.
3.6 • 103 . Wfi ' ' q
где G — количество циркулирующей воды, кг; Wo — скорость
циркуляции, м/сек., у — плотность воды при средней темпера-
температуре в контуре, кг/м3.
Значение у может быть определено из соответствующих таб-
таблиц. В зависимости от выбранного количества подъемных труб
3 определяются их проходные се-
сечения. Естественно, что ско-
скорость циркуляции воды в опу-
опускных трубах будет такой же.
3. Динамическое сопротив-
сопротивление подъемных труб движу-
движущейся по ним воде определя-
определяется по формуле
0.03
0.02
0.01
w во но 160 гоо гьо d Ар=:-щ&> кг/м2>
Рис. 43. Зависимость коэффициента
трения (X) от диаметра трубы (d). где X — коэффициент трения во-
вода—металл; I — длина одной
ветви трубы, м; у — средняя плотность воды, кг/м3; W; — сред-
средняя скорость движения воды в трубе, м/сек.; d — внутренний
диаметр трубы, м; g — ускорение силы тяжести, м/сек.2
Величина X может быть определена из графика, приведенного
на рис. 43.
Для определения коэффициента отдачи тепла при заданных
скоростях циркуляции воды в контуре с достаточной степенью
точности могут быть использованы формулы, относящиеся к есте-
естественной конвекции жидкости в свободном объеме. Коэффициент
теплопередачи от горячих спаев термобатареи к воде может быть
определен по формуле
0.1358 .„ „ ч1, >"< . 2
а = —-— (Рг&г)«, ккал./м^ • час • град.,
где б — коэффициент теплопроводности воды (ккал./м2 • час.
град.); I — определяющий размер теплообменной поверхности;
Рг — критерий Прандля; Gr — критерий Грасгофа.
Произведение критерия Прандля на критерий Грасгофа опре-
определяется соотношением
82

Здесь g — ускорение силы тяжести, м/сек2.; v — коэффициент
кинематической вязкости воды, *?Усек.; а — коэффициент темпе-
температуропроводности воды, м2/час; р — коэффициент объемного рас-
расширения воды, град. С; At — разность температур ребро—вода.
С достаточной степенью точности среднее значение вел
коэффициента теплопередачи для заданной поверхности тепло-
теплообмена может быть определено по формуле
где /0 — сечение трубопроводов, м2; Wo — скорость циркуляции
воды, м/сек.; у — плотность воды при средней температуре в кон-
контуре, кг/м3; t — средняя температура поверхности теплообмена;
t1 — температура воды, входящей в контур; t2 — температура
воды, выходящей из контура.
§ 5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ
ПЛАВЛЕНИЯ
Одним из возможных способов отвода тепла с горячих
спаев термобатареи в изолированной системе может быть исполь-
использование веществ с высокой скрытой теплотой плавления. Выбор
веществ определяется условиями эксплуатации. К ним отно-
относятся: требуемый уровень стабилизации температуры охлаждае-
охлаждаемого объекта Т, величина температурного перепада, получаемого
в термоэлектрическом холодильнике AT, а также температура
окружающей среды То.
Целесообразно выбирать составы с температурой плавления
на 5—10° выше, чем температура .окружающей среды. В этом
случае объем, заполняемый веществом с высоким значением теп-
теплоты плавления, не нуждается в теплоизоляции.
Длительность поддержания стабильной температуры в термо-
термостате определяется величиной мощности W, выделяемой на горя-
горячих спаях термобатареи, скрытой теплотой плавления исполь-
использованного вещества и его количеством.
Если скрытая теплота плавления исчисляется в килокало-
килокалориях на грамм, то оценка удельной эффективности выбранного
вещества может быть сделана по величине др, где р — плот-
плотность, г/см3.
Время поддержания стабильной температуры можно с доста-
достаточной степенью точности оценить по формуле
W
где V — объем, заполненный веществом, см3; W — снимаемая
тепловая мощность, кал./сек.; t — время, сек.
6* 83

Таблица 4
Характеристика веществ с большой скрытой теплотой плавлепля
Вещество
Кристаллический азотно-
азотнокислый кадмий
Кристаллический азотно-
азотнокислый никель
Стеариновая кислота ....
Цетиловый спирт
Диметиловый эфир щавеле-
щавелевой кислоты (диметилокса-
лат) . .
Элаидиновая кислота ....
Уретан (эфир карбоминово-
этиловый) .
Воск
Парафин
Нафтиламин
Сплав Вуда
%'
59.4
56.7
69.0
49.0
49.. 5
47.0
48.7
63.0
52.4
53.0
65.5
кал./г
25.3
36.4
47.6
33.8
42 7
52.1
40.9
42.3
35.1
30.0
8.4
р,
г/см3
2.45
2.05
0.847
0.818
1 148
0.851
1.11
0.96
0.88
1.123
9.7
«Р- ,
кал./см3
62.0
4
74.6
40.3
27.6
49.0
44.3
45.0
40.6
30.9
33.7
81.05
К
кал./см • сек - град.
*
*
*
*
*
*
*
0.00021
0.0005—0.0006
0.00036
0.0319
Примечание. Звездочка — литературных данных нет. Ориентировочная вели-
величина -*■ X ~ 6 • 10-* кал./см • сек • град.
В табл. 4 приводятся характеристики некоторых веществ,
которые могут быть использованы для указанной цели. Стабиль-
Стабильность поддержания температуры в термостатированном объеме
существенно зависит от теплопроводности вещества. При исполь-
ТУ
40
30
20
о
50
100
150
200 мин.
Рис. 44. Зависимость температуры в рабочей ка-
камере микрохолодильника от времени для случая
теплоотвода на сплав Вуда (выделяемая термобата-
термобатареей мощность равна 10 вт).
зовании скрытой теплоты плавления металлов (или сплавов) те-
тепловое сопротивление расплава невелико, что объясняется боль-
большой величиной его теплопроводности. В этом случае тепловой
контакт с полупроводниковой батареей обеспечивается за счет
металла, из которого сделан теплоприемник.
Теплопроводность солей значительно ниже, чем у металлов
или сплавов, поэтому при их использовании приходится прини-
принимать специальные меры для уменьшения теплового сопротивления
84

в расплаве. В противном случае температура горячих спаев-
термобатареи медленно возрастает и стабилизировать ее внутри
охлаждаемого объема не удается. Это нежелательное явление
проще всего свести к минимуму путем развития поверхности
радиатора внутри теплоприемного вещества.
В идеальном случае поверхность радиаторов должна представ-
представлять собой металлическую губку, заполненную солью в твердой
фазе. В качестве примера исполь-
использования вышеописанного метода ■•«■■'•
теплосъема на рис. 44 приводит-
приводится график зависимости темпера-
температуры внутри рабочей камеры тер- |
мозлектрического микрохолодиль-
микрохолодильника от времени. Теплопоглощаю-
щим веществом, в данном случае . ' * !
был сплав Вуда (объем 300 см3).
Температура окружающей среды
60°. Как видно из графика, время
поддержания стабильной темпера-
температуры превышает 2 часа.
§ 6. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
СКРЫТОЙ ТЕПЛОТЫ ИС-
ИСПАРЕНИЯ
Многие жидкости обла-
обладают значительной скрытой те- Рис 45 термобатарея с теплоот-
плотой испарения. Этим можно водом за счет скрытой теплоты
воспользоваться для отвода тепла, испарения,
выделяющегося на горячих спа- *
ях термобатареи в системах с ограниченным сроком службы.
Одно из возможных конструктивных решений термоэлектри-
термоэлектрической системы, в которой отвод тепла осуществляется за счет-
скрытой теплоты испарения жидкости, приведено на рис. 45.
Здесь горячие спаи 1 термоэлектрической батареи 2 с хорошим
тепловым контактом сопряжены с медной косынкой 5, на которой
припаяна медная коробка 4, заполненная водой. Для увеличения
поверхности испарения на верхней крышке коробки размещено-
несколько медных пластин 5, обтянутых специальным материа-
материалом — трикотином 6, обладающим хорошими фитильными свой-
свойствами. Нижние концы трикотиновых фитилей проходят в ко-
коробку и погружены в воду.
При незначительных габаритах и малом весе F00 г), включая
и вес термобатареи, после заполнения рабочего объема E0 см3)
воды данная система отводит 5 вт тепловой мощности, выделяю-
выделяющейся на горячих спаях термоэлектрической батареи, в течение
более 4 час.
85

J
Зависимость температуры на поверхности ребра радиатора от
времени показана на рис. 46. Разность температур между радиа-
радиатором и горячим спаем не превышала 1°. Приведенная кривая
т.г была снята для температуры
окружающей среды 50°.
Другой конструктивный ва-
вариант теплоотводящей системы,
использующей скрытую теплоту
испарения, представлен на рис.
47. Здесь вода заливается в два
сосуда 1 из плексигласа. Боко-
Боковые поверхности этих сосудов
2 изготовлены иэ меди и при-
припаяны к косынке 3, несущей
термобатарею 4. В отличие от
предыдущей конструкции здесь
го
16
12
8
1 2 3 ь vac.
Рис. 46. Зависимость температуры
ребра от времени в приборе, исполь-
использующем скрытую теплоту испарения.
нет системы радиаторов, снаб-
снабженной фитилями. Испарение воды, находящейся в сосудах 2,
приводит к понижению температур косынки и соответственно
горячих спаев термобатареи. Для выхода пара и заливки воды
служат отверстия 5, закрытые мелкоструктурной сеткой 6. При
Рис. 47. Второй конструктивный вариант теплоот-
теплоотводящей системы, использующей скрытую теплоту
испарения.
объеме заливаемой воды 100 см3 .(в оба сосуда) термобатарея,
выделяющая 5 вт, может работать непрерывно в течение 5 час.
Общий вес системы (без воды) составляет 670 г.
Для количественной оценки метода отвода тепла за счет скры-
скрытой теплоты испарения воды можно пользоваться следующими
соотношениями.
86

Количество испаряющейся воды G (кг/час) равно
где а — коэффициент теплопередачи вода—воздух (ккал./м2 *
час • град.); F — поверхность зеркала воды, м2; d — влажность
воздуха вблизи поверхности воды, г/кг сухого воздуха; dB —
влажность воздуха при температуре воды и при полном насы-
насыщении, г/кг сухого воздуха.
Значения d и dB определяются иэ соответствующих графиков.
В том случае, если G < 0, происходит испарение воды, при
G>0 — конденсация водяного пара. Количество тепла Q, ко-
которое может быть отведено испаряющейся водой, равно
Q — G E95 — 0.54^) -f- aF (t2 — tj, ккал./час;
здесь tx — температура воды; t2 — температура воздуха.
Первый член правой части уравнения определяет количество
испаряющейся воды, а второй член учитывает теплообмен воды
с окружающей средой.
Величина Q в свою очередь состоит иэ двух слагаемых —
мощности термоэлектрической батареи W (вт) и. холодопроизво-
дительности батареи Qo (вт), т. е.
Q = (W -f- Qo) 0.86, ккал./час.
§ 7. ТЕПЛООТВОДЯЩАЯ СИСТЕМА
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОЕМКОСТИ
Одним из возможных способов отвода тепла от термо-
термоэлектрической батареи может быть использование материалов
с высокой удельной теплоемкостью. В этом случае тепло, выделяю-
выделяющееся на горячих спаях термобатареи, будет расходоваться на
увеличение температуры теплоприемника, являющегося свое-
своеобразным аккумулятором тепла.
Процесс передачи тепла от термоохлаждающёго устройства
на теплоприемник будет нестационарным. С течением времени тем-
температура теплоприемника будет возрастать, и соответственно
зтому количество принимаемого им от термобатареи тепла будет
уменьшаться. Кроме того, теплообмен теплоприемника с окружаю-
окружающей средой также не будет постоянным во времени.
В первом приближении для количественной оценки основных
параметров подобного устройства можно пренебречь теплообме-
теплообменом теплоприемника с окружающей средой, изменением тепло-
теплоемкости с температурой и изменением со временем количества
тепла, поступающего от термобатареи к теплоприемнику. В этом
случае решение задачи значительно упрощается и для определе-
8Т

ния массы теплоприемника можно с достаточной степенью точ-
точности пользоваться соотношением:
где М — масса теплоприемника, г; Qo — количество тепла, по-
поступающего от термобатареи на теплоприемник, кал./сек.; с —
теплоемкость теплоотводящего материала, кал./град.; t —время,
в течение которого должна работать система, сек.; ДГ — изме-
изменение температуры теплоприемника эа время t.
Следует отметить, что приведенное соотношение справедливо
при условии, что t ^> т, где т — величина, зависящая от геоме-
геометрических размеров и некоторых физических параметров мате-
материала теплоприемника:
где К — теплопроводность, кал./см • сек • град.; с — теплоем-
теплоемкость, кал. /г • град.; р — плотность, г/см3; L — линейный раз-
размер, см.
Иными словами, величина т характеризует скорость распро-
распространения тепла в материале теплоприемника.
Ниже приводится примерный расчет теплоотводящей системы,
использующей теплоемкость материала. Задаемся следующими
исходными данными:
1) термоэлектрическая батарея выделяет на горячих спаях
5 вт, или 1.16 кал./сек.;
2) время работы батареи 5 мин.;
3) по истечении 5 мин. температура теплоприемника должна
возрасти не более чем на 5°;
4) в качестве материала теплоприемника используется алю-
алюминий (с=0.2 кал./г • град., К=0.5 кал./см • сек • град.,
р=2.7 г/см3);
5) теплоприемник выполнен в виде цилиндра высотой 5 см.
Масса теплоприемника будет равна
.. 1.16 ■ 300 „en
Исходя из параметров заданного материала и геометрии тепло-
теплоприемника, определяем величину т:
25 ■ 0.2 ■ 2.7
0.5
- = 27.
Так как заданное время работы системы равно 300 сек., то
условие t ^> т выполняется и выбранное значение массы тепло-
теплоприемника будет достаточным для удовлетворения поставленных
требований.

§ 8. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТВОРОВ С НИЗКОЙ
КРИОГИДРАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ
В качестве одного иэ методов отвода тепла от го-
горячих спаев термоэлектрических батарей можно предложить
использование водных растворов солей с низкой криогидратной
температурой. Этот метод позволяет простыми средствами полу-
получить значительное понижение температуры горячего спая, что
определяется выбором соответствующей соли. В табл. 5 приве-
Таблица 5
Основные характеристики растворения некоторых солей
в воде
Соль
NH4NO3
RbNO3
ВаШСЦ)9
NaNO3
KNO3
СаС12-2Н2О ....
NH4C1
NaCl-2H2O ....
КСЮ3
(nhXso4
K»Fe(CN)fi
NH4HCO3
(NH4JCr207 ....
KHCO3 ...
NaHPO4-12H2O . .
Темпе-
Температура
воды.
°C
18
21
•J8
17
18
18
18
18
18
18
18
18
15
16
15
18
Теплота
растворе-
растворения,
ккал./г ■ моль
6.4
8.7
9.0
5.018
8.52
4.564
3.895
1.281
10.2
17.4
2.39
14.3
6.69
19.9
5.32
22.83
Раствори-
Растворимость
на 100 см3
при 20°,
г
192
53.3
9.2
88.0
31.6
74.5 •
37.2
36.0
7.4
13.1
75.4
17.5
21.0
32.05
34.6
7.7
Холодоем-
кость рас-
раствора при
насыщении
в 100 см3 воды,
относитель-
относительные единицы
15 3
3.1
0.31
5.2
2.6
2.35
2.7
5.45
0.62
0.78
1.36
0.76
1.78
2.7
1.66
1.47
дены криогидратные температуры растворения некоторых солей.
Здесь величина криогидратной температуры соответствует обра-
образованию кристаллов эвтектической смеси (льда и соли).
Можно предложить несколько различных решений указанной
задачи. Однако иэ всех возможных конструктивных вариантов
наиболее целесообразными представляются системы, в которых
съем тепла осуществляется циркуляцией самого раствора или
циркуляцией промежуточного теплоносителя, находящегося в хо-
хорошем тепловом контакте с криогидратным раствором.
Охлаждающее устройство для отвода тепла от горячего спая
термобатареи конструктивно может быть выполнено в виде само-
самостоятельного узла, соединенного с термоэлектрическим прибором
двумя шлангами.

При выборе соли необходимо учитывать, что раствор, который
будет использоваться для охлаждения, должен иметь минималь-
минимальную агрессивность по отношению к циркуляционной системе.
Нежелательно также присутствие в растворе твердого остатка,
так как последний может значительно ухудшить условия охла-
охлаждения термобатареи; иными словами, необходимо применять
соли с хорошей растворимостью.
Применение солей с высокой растворимостью позволяет' при
тех же объемах системы увеличить рабочий цикй одной загрузки.
При выборе соли одной из основных характеристик служит скры-
скрытая теплота растворения.
В табл. 6 приводится перечень солей, которые могут быть
использованы для указанной цели. В эту таблицу включены не
все вещества, приведенные в табл. 5, так как большинство этих
солей имеет малую теплоту растворения. В таблицу также не
включены различные цианистые соединения из-за их большой
токсичности.
Из рассмотрения приведенных в табл. 6 солей видно, что
наилучшую характеристику имеет азотнокислый аммоний
(NH4NOg), который обладает сравнительно высокой теплотой
растворения, низкой криогидратной температурой и высокой
растворимостью. Следует отметить, что азотнокислый аммоний
в большом количестве выпускается промышленностью и имеет
незначительную стоимость. Для того чтобы можно было полу-
получить представление о требуемом количестве раствора, ниже при-
приводится расчет для случая съема тепла с полупроводниковой ба-
батареи, выделяющей на горячих спаях 15 ккал./час. Расчет выпол-
выполнен Для следующих условий.
Температура окружающей среды Тг . . 20°
Требуемая температура горячего
спая Т2 5°
Время работы t 6 час.
Используемая соль Азотнокислый аммоний
Теплоизоляция объема с раствором . . Торфоплитки
Коэффициент теплопроводности I. . . . 0.08 ккал./м ■ час ■ град.
Толщина теплоизоляции 8 5-10~2 м
Коэффициент теплопередачи теплоизо-
теплоизоляция—окружающий воздух а1 . .10 ккал./м2 • час ■ град.
Коэффициент теплопередачи внутрен-
внутренний объем—теплоизоляция- а2 . . .500 ккал./м2 • час • град.
При этих условиях приведенный коэффициент теплопере-
теплопередачи
К — — т т— = 1.38 ккал./м2 • час • град.
Количество тепла, передаваемое резервуару с солью от
окружающей среды,
Q
90

Та б л и-ц а 6
Криогндратные температуры растворения солей
Соль
СаС12-6Н2О
К2СО3 • Н20
MgCl2- 12H2O
NaCI-2H2O
(NH4JSO4 . .
NaNO3. . . .
Т, °с
—54.9
—36.5
—33 6
—21.2
—19.05
—18.5
Соль
NH4NO3 . . .
NH4C1 ....
КС1 . .
MnSO4-7H,O
KNO3 ....
Na2SO4 - H2O
r, °c
—17.35
—15.8
—11 1
—10.5
— 2.9
- 1.2
где F — поверхность резервуара, м2; ДГ — перепад температур
{Тг~Т2).
Если F=l м2, то
<2С = 1.38.1.15 = 20.5 ккал.
Для охлаждения 15 л раствора требуется отвести тепла
Qv = vmM = 15 • 1 • 15 = 225 ккал.
Для отвода этого количества тепла необходимо
Р1 = 2.8 кг соли.
Количество тепла, подводимого каждый час к резервуару от
полупроводниковой батареи и в результате теплообмена с окру-
окружающей средой,
= 20.5+ 15 = 35.5 ккал
Для обеспечения отвода этого тепла при повышении темпера-
температуры раствора не более чем на 2° необходимо через каждый час
делать загрузку
Р2 = 0.44 кг соли.
Таким образом, для стабильной работы полупроводниковой
термобатареи в течение 6 час. требуется 5.4 кг соли. Приведен-
Приведенный расчет справедлив при коротких B м), хорошо теплоизоли-
теплоизолированных шлангах, соединяющих термобатарею с резервуаром,
где находится раствор. При необходимости отнести резервуар-
с раствором на большее расстояние от термобатареи приходится
учитывать теплообмен между шлангами и окружающей средой.
Была произведена оценка температурного перепада на дю-
ритовых шлангах (длиной 2.5 м, при скорости потока воды
1 л/мин.), находящихся в камере со 100%-й влажностью и тем-
температурой окружающей среды 25°. Перепад составил 1°, что со-
91

•ответствует теплопритоку 60 ккал./час. Таким образом, для
успешной работы термоохлаждающего устройства при использо-
использовании дюритовых шлангов длиной 5 м необходимо дополнительно
загружать ежечасно 0.75 кг соли.
Засыпка, г
78 13 13 13 13 13
1°с I ♦ | | J \
20 V
1В
0
1 2 3 it 5 д час.
Рис. 48. Изменение температуры раст-
раствора азотнокислого аммония со вре-
временем (объем раствора 400 см3, выде-
выделяемая в раствор мощность
3 ккал./час).
Для обеспечения понижения температуры горячего спая термо-
термоэлектрической батареи с указанными выше параметрами в те-
течение 6 час. необходимо использовать
Р = Рг -f- 6 (Р2 -f- £*3) — 2-8 -f- 7.14 = 10 кг азотнокислого аммония".
На рис. 48 показано изменение температуры раствора азотно-
азотнокислого аммония со временем для объема 400 см3, в котором вы-
выделяется тепловая мощность 3 ккал./час. Засыпка очередных
порций соли производилась каждый час.

Глава VIH
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ОХЛАЯОДАЮЩИХ ПРИБОРОВ
Поскольку для питания термоэлектрических охлаждаю-
охлаждающих устройств требуется постоянный ток относительно большой
•силы при низком напряжении, вопросы выбора соответствующего
источника питания приобретают самостоятельное значение. Б за-
зависимости от конкретных условий эксплуатации термоохлаждаю-
термоохлаждающего прибора для его питания могут быть использованы выпря-
выпрямители, аккумуляторы, преобразователи тока и термоэлектро-
термоэлектрогенераторы.
§ 1. ВЫПРЯМИТЕЛИ
Б стационарных условиях эксплуатации наиболее це-
целесообразно питать термоохлаждающие устройства от выпрями-
выпрямителя. Несмотря на потребление постоянного тока большой силы,
потребляемая термоохлаж- ,=„
дающим прибором мощность
от источника питания неве-
невелика-и обычно не превышает
нескольких десятков ватт, а
наиболее часто равна несколь-
нескольким ваттам. Б связи с этим
■соответствующий выпрями-
выпрямитель будет малогабаритным
и достаточно простым по кон-
конструкции. Как правило, вы-
выпрямители для питания тер-
термоохлаждающих приборов со-
собираются по двухполупериод-
ной схеме, в результате чего
на выходе получается постоянный ток с 67 % пульсацией. Весьма
существенным обстоятельством является максимальное снижение
пульсации выпрямленного тока, так как наличие переменной со-
S7-
80 1„,%
Рис. 49. Зависимость перепада темпе-
температур на термоэлементе (ДГ) от вели-
величины пульсации питающего тока (/•—•).
93

ставляющей будет приводить к выделению на термобатарее джоу-
лева тепла, которое снизит эффект охлаждения.
На рис. 49 приведена зависимость перепада температур на
термоэлементе от величины пульсации питающего тока.
Достижение необходимой стабилизации выпрямленного тока
является довольно сложной задачей, так как в данном случае
мы имеем дело с током большой силы и низкого напряжения, что
практически исключает использование емкостных фильтров. По-
Поэтому фильтрация ■ выпрямленного тока, как правило, осуществ-
осуществляется в индуктивном фильтре — дросселе.
Так как все ранее приведенные соотношения, характеризую-
характеризующие работу термоэлектрического охлаждающего устройства, отно-
относились к случаю питания его строго постоянным током, рассмо-
рассмотрим влияние на работу термобатареи переменной составляющей
в питающем ее токе. При питании термобатареи выпрямленным
током, в котором присутствует переменная составляющая, будет
иметь место два явления — выделение джоулева тепла, которое
пропорционально среднеквадратичному значению переменной со-
составляющей тока, и поглощение теплоты Пельтье, которое про-
пропорционально среднему значению постоянной составляющей пи-
питающего тока.
Эти две величины связаны друг с другом так называемым
формфактором F, который определяется как отношение средне-
среднеквадратичного тока переменной составляющей /кв> к среднему
значению тока постоянной составляющей /„„„,, т. е.
Очевидно, что формфактор, отличный от единицы, будет сни-
снижать величину термоэдс а до |-. В соответствии с этим во все
соотношения, характеризующие работу термоэлектрической ба-
батареи, в членах, учитывающих джоулево тепло, следует внести
среднеквадратичное значение тока, а в членах, определяющих
теплоту Пельтье, необходимо писать среднее значение постоян-
постоянной составляющей тока
1 пост р •
Нетрудно показать, что основные параметры темоэлектри-
ческой батареи, питаемой током, имеющим переменную состав-
составляющую, будут отличаться от этих же параметров в случае
питания батареи постоянным током на величину F либо F2.
Если обозначить параметры термобатареи, питаемой током
с переменной составляющей, звездочкой, то отношение их
к параметрам термобатареи, питающейся постоянным током,
будет иметь вид:
94

я) для максимального перепада температур
max _1 .
б) для тока в режиме максимальной холодопроизводитель-
ности
TfT^F1
в) для тока в режиме максимального холодильного коэф-
коэффициента
*="
г) для режима максимальной холодопроизводительности
AT
1 — / -—
AT
На рис. 50 приведены графические зависимости основных
параметров термоэлектрической батареи от величины форм-
фактора.
Из приведенных кривых видно, что при малых разностях тем-
температур, что соответствует в ряде случаев использованию слабо-
слаботочных термобатерей, влияние формфактора не сильно сказы-
сказывается на основных параметрах. Однако при необходимости дости-
достижения максимально возможных перепадов температур формфактор
оказывает весьма существенное влияние на работу термоба-
термобатареи. Б связи с этим выпрямитель, -предназначенный для пита-
питания слаботочной термобатареи, может иметь на выходе ток с пуль-
пульсацией 20—26 %. В случае же питания сильноточных .термобата-
.термобатарей коэффициент пульсации выпрямленного тока должен быть
максимально снижен и не превышать 5—7%.
Не менее важным обстоятельством является правильный выбор
вентилей, так как для достижения высокого к. п. д. выпрямителя
прямое падение напряжения на вентиле должно быть достаточно
мало. Наиболее подходящими для указанной цели следует счи-
считать сильноточные германиевые диоды.
Отечественной промышленностью выпускаются германиевые
сильноточные вентили на токи от 1 до 1000 а и напряжения от
15 до 200 в (в зависимости от класса). Прямое падение напряже-
напряжения у германиевых вентилей лежит в пределах от 0.16 до 0.22 в
для группы А и до 0.5 в для группы Е. Б зависимости от условий
охлаждения вентили подразделяются на тип БГ — с воздушным
естественным либо принудительным охлаждением и БГБ — с во-
водяным охлаждением. Германиевые вентили работают при весьма
95

больших плотностях тока, достигающих 100 а/см2, в то время
как селеновые и медцозакисные (купроксные) выпрямители ра-
работают при плотностях прямого тока 0.03—0.1 а/см2. Столь
значительные плотности рабочего тока позволили создать герма-
германиевые вентили малых габаритов и веса. Так, например, удель-
удельный объем германиевого вентиля равен 0.02—0.2 см3/вт, что
в 50—100 раз меньше, чем у селенового выпрямителя. Столь же
значительно различаются и удельные массы германиевых и селе-
селеновых вентилей @.02—0.2 г/вт и 0.4—5 г/вт?. соответственно).
Особенно существенным является низкое значение прямого па-
падения напряжения на вентиле,
лежащее, согласно классифика-
классификационной характеристике, в пре-
пределах от 0.16 до 0.5 в. Коэффи-
Коэффициент полезного действия гер-
германиевого вентиля достигает
98%.
К недостаткам сильноточных
германиевых вентилей следует
отнести низкую перегрузочную
15 1.6f способность. В связи с этим ра-
рабочая температура германиевого
вентиля не должна превышать
симального холодильного коэффи- 50 . Основные данные выпус-
Рис. 50. Зависимость оптимальных
значений силы тока в режиме мак-
циента (е), режиме максимальной
холодопроизводительности (Q) и пе-
перепада температур (Д7\паХ) от форм-
фактора (F).
каемых промышленностью силь-
сильноточных германиевых вентилей
приведены в табл. 7.
В последние годы были раз-
разработаны и освоены в серийном
производстве сильноточные кремниевые вентили. Основное пре-
преимущество кремниевого вентиля перед германиевым состоит
в более высокой рабочей температуре, доходящей до 200°. Это
обстоятельство позволяет эксплуатировать кремниевые вентили
при плотностях тока в 300—500 а/см2, что в 5 раз больше, чем
у германиевых вентилей. Существенным недостатком кремниевых
вентилей является почти в два раза большее, чем у германиевых,
падение напряжения в прямом направлении, что весьма нежела-
нежелательно при использовании их в выпрямительных устройствах
низкого напряжения, питающих термоэлектрические приборы.
Габаритные и весовые характеристики кремниевых вентилей
лучше, чем у германиевых, что связано с небольшими размерами
кристалла кремния. В частности^ удельный объем и удельная
масса кремниевого вентиля равны всего лишь 0.002 см3/вт и
0.01 г/вт. Однако из-за небольших размеров кристалла кремния
перегрузочная способность вентиля ниже, чем германиевого.
В табл. 8 приведены основные характеристики серийных сильно-
сильноточных кремниевых вентилей. Диапазон рабочих температур
96

Таблица 7
Основные параметры сильноточных германиевых вентилей
(ГОСТ 10662-63)
К з
я§
№ а
jjfg
5 С о
йя
II
га 5
S.S.
р
§
Д302
дзоз
дзоз
Д305
ВГ-10-15
ВГ-10-30
ВГ-25-15
ВГ-25-30
ВГ-50-15
ВГ-50-30
ВГ-100-16
ВГ-100-30
ВГ-200-15
ВГ-200-30
ВГВ-500-15
ВГВ-500-30
ВГВ-1000-15
ВГВ-1000-30
1
3
5
10
10
10
25
25
50
50
100
100
200
200
500
500
1000
10C0
200
150
100
50
15
30
15
30
15
30
15
30
15
30
15
30
15
30
0.25
0.3
0.3
0.35
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—О.122
0.16—0.22
0.Ю—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
0.16—0.22
1
1
3
3
10
10
10
10
10
10
50
50
50
50
50
50
50
50
25
100
170
500
200
200
200
200
200
200
700
700
700
700
700
700
700
700
46X22X19
46 X 54 X 54
46 X 72 X 72
46X134X134
77X^3
77X43
77X43
77 X 43
77X43
77 X 43
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
300 X 70 X 70
Естест-
Естественное
воздуш-
воздушное.
Обдув
со ско-
скоростью
5 м/сек.
Водяное.
Примечание. В таблице даны значения прямого падения напряжения и обрат-
обратного тока, измеренные при температуре окружающего воадуха 20°: для вентилей Д302—
Д305 — средние вначения, полученные при измерении в однополупериодной схеме
выпрямления; для вентилей ВГ-10 и ВГ-50 — вначения, полученные при измерении
в схеме постоянного тока.
приведенных в таблице вентилей — 50-;—[-125°, однако нормаль-
нормальной рабочей температурой для вентиля является +40°. При
превышении рабочей температуры на каждые 10° величина
допустимого прямого тока через вентиль должна быть снижена
на 10%.
Б табл. 9 приведены сравнительные параметры сильноточных
вентилей различных типов.
Б тех случаях, когда экономичность выпрямителя не является
определяющим обстоятельством, в качестве вентилей могут быть
использованы селеновые шайбы. Правда, в результате большего,
чем у германиевых и кремниевых вентилей, падения напряжения
в прямом направлении к. п. д. селеновых выпрямителей равен
70—80% вместо 95—98% для германиевых вентилей и 98—99% —
для кремниевых вентилей. Однако это обстоятельство компенси-
7 Е. А. Коленко
97

Таблица 8
Основные параметры сильноточных кремниевых вентилей
Тип
вентиля
Нормальный
выпрямлен-
выпрямленный ток, а
Номиналь-
Номинальное рабочее
напряжение,
в
Падение
напряжения
в прямом
направлении,
Условия охлаждения
Д214
Д214А
Д215
Д215А
ВК-10
ВК-25
ВК-50
ВК-100
ВК-200
ВКД-500
ВКВ-200
ВКВ-350
ВКВ-500
ВКВ-750
ВКВ-ЮОО
о
10
5
10
10
25
50
100
200
500
200
350
500
750
1000
100
100
200
200
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
50
0
1.0
1.0
1.0
1.0
,4-0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
0.4—0.5
Воздушное естест-
естественное.
Воздушное принуди-
принудительное (обдув со
скоростью 5 м/сек.).
Водяное.
Таблица 9
Сравнительные параметры силовых полупроводниковых вентилей
различных типов
Наименование параметра
Пробивное напряжение, в . .
Номинальное напряжение
(максимальное значение), в
Нормальное прямое напряже-
напряжение (классификационное), в
Номинальная плотность
прямого тока (среднее зна-
значение), а/см2
Максимально допустимая ра-
рабочая температура пере-
перехода, °С .
Коэффициент полезного дей-
действия, °/о ■
Удельный объем (с охладите-
охладителями), см3/вг
Удельная масса (с охладите-
охладителями), г/вт
Наибольшая номинальная
мощность одного вентиля,
КВТ
Типы вентилей
медно-
вакисный
20-60
5—15
0.3—0.6
0.04—0.06
50—60
30—60
4—20
-
5—50
0.15
селеновый
40—120
25—85
0.6—0.9
0.03—0.1
75—130
70—80
0.7-4
0.4—5
0.35
германие-
германиевый
100—1000
15—400
0.2—0.6
50—100
65—75
95—98
0.02-0.2
0.02—0.2
100
кремние-
кремниевый
200—5000
50—3000
0.4—1.2
-
50—500
140—200
98—99
0.002—0.2
0.01—0.5
300
■Примечание. По параметрам отечественных силовых полупроводниковых
вентилей см. также ГОСТ 10662-63 и ГОСТ 10765-64.
98

руется простотой, доступностью и дешевизной селеновых выпря-
выпрямителей.
Необходимо отметить, что за последние годы в связи с разра-
разработкой силовых германиевых и кремниевых вентилей внимание
к селеновым вентилям стало ослабевать. Это следует признать
неправильным, так как в ряде случаев применение селеновых
вентилей является более целесообразным и экономически оправ-
оправданным, чем использование германиевых или кремниевых вен-
вентилей.
Б качестве иллюстрации можно привести пример использо-
использования селеновых вентилей в выпрямителе для питания термо-
термоэлектрического бытового холодильника. Четыре селеновые шайбы
размером 100x100 мм были соединены по мостовой схеме. Выпря-
Выпрямитель, собранный на зтих шайбах, обеспечивал постоянный
ток 25 а при напряжении 3.5 в. Коэффициент полезного действия
выпрямителя был при этом равен 75%.
§ 2. АККУМУЛЯТОРЫ
Б ряде случаев термоохлаждающие приборы эксплуа-
эксплуатируются в местах, где отсутствует сетевая электроэнергия или
сами приборы не являются стационарными. Примером может
служить использование микротомных и микроскопных столи-
столиков, микрохолодильников для лабораторных целей и других
приборов в полевых условиях, где отсутствуют стационарные
источники питания. Другая группа приборов, например термо-
термоэлектрический микрохолодильник для перевозки спермы сельско-
сельскохозяйственных животных, по своему назначению являются при-
приборами переносными и, естественно, не могут быть запитаны от
стационарных источников электропитания. Б таких случаях
необходимо использовать автономные источники питания. По-
Поскольку для питания термоэлектрического охлаждающего при-
прибора требуется большой ток при низком напряжении, в качестве
нестационарных источников питания могут быть использованы
аккумуляторы.
Б табл. 10, 11, 12 приведены основные параметры различных
типов аккумуляторов, которые могут быть использованы для
этой цели.
Из рассмотрения приведенных в таблицах типов аккумулято-
аккумуляторов видно, что наиболее подходящими для целей питания термо-
термоохлаждающих устройств являются серебряно-цинковые акку-
аккумуляторы, которые при малых габаритах и малом весе имеют
значительную емкость и могут отдавать большие разрядные токи.
Это особенно относится к серебряно-цинковым аккумуляторным
батареям, в которых при параллельно соединенных банках могут
быть получены чрезвычайно большие емкости и соответственно
сняты большие разрядные токи. Так, например, аккумуляторная
7* 99

Кислотные аккумуляторы
Таблица 10
Тип
аккумулятора
З-СТ-60
З-СТ-70
З-СТ-84
З-СТ-98
З-СТ-112
З-СТ-126
З-СТ-135
6-СТ-54
6-СТ-68
Число
элементов
в батарее
3
3
3
3
3
3
3
6
6
Номиналь-
Номинальное напря-
напряжение, в
6
6
6
6
6
6
6
12
12
Емкость
при 10-часовой
раврядке
и средней
температуре
30°, а • ч
60
70
84
98
112
126
135
54 -
68
Разрядный
ток при
10-часовом
режиме, а
6.0
7.0
8.4
9.8
11.2
12.6
13.5
5.4
7.6
Вес, кг
17
19
21
24
26
30
37
33
38
Таблица 11
Щелочные аккумуляторы (кадмий-никелевые)
Тип
аккумулятора
4-НКН-45
4-НКН-60
4-НКН-100
Ю-НКН-22
17-НКН-22
5-НКН-45
7-НКН-45
Ю-НКН-45
5-НКН-60
10-НКН-60
5-НКН-100
10-HKH-J00
Число
элементов
в батарее
4
4
4
10
17
5
7
10
5
10
5
10
Номиналь-
Номинальное напря-
напряжение, в
5.0
5.0
5.0
12.0
21.25
6.25
8.75
12.5
E.25
12.5
7.25
12.5
Емкость
при 10-часовой
раврядке
и средней
температуре
30°, а • ч
45
60
100
22
22
45
45
45
60
60
100
100
Раврядный
ток при
8-часовом
режиме, а
5.65
7.5 .
12.5
2.75
2.75
5.65
5.65
5.65
7.5
7.5
12.5
12.5
Вес, кг
14
23
33
21
35
17
24
33.5
29
56
38.5
75
батарея 8СЦ-45 при последовательном соединении банок имеет
емкость 50 а • ч при рабочем напряжении 12 в; в то же время эта
батарея с параллельно соединенными банками будет обладать
емкостью 360 а • ч, но при напряжении 1.5 в.
Б том случае, когда термоэлектрический холодильник в ра-
рабочем состоянии транспортируется на автомашине, его питание
можно осуществить от автомобильного аккумулятора или посто-
постороннего аккумулятора, включенного в режим подзарядки от
системы электропитания автомашины.
Небезынтересно отметить возможность использования в ка-
качестве источника питания термоэлектрических приборов гальва-
гальванических элементов. Естественно, что в этом случае источник
100

Таблица 12
Основные характеристики серебряно-цинковых аккумуляторов
и батарей
Тип
аккумулятора
(батареи)
СЦ-0.5
СЦ-1.5
СЦ-3
СЦ-5
СЦ-11
СЦ-12
СЦ-15
СЦ-18
СЦ-25
СЦ-40
СЦ-45
СЦ-50
СЦ-70
СЦ-95
СЦ-100
СЦ-120
ЗСЦ-5
5СЦ-5
8СЦ-45
15СЦ-45
Габариты
(длина, ширина,
высота), мм
24 X 12 X 47
28 X 14 X 50
43 X 18 X 73
45 X 32 X 77
21 X 41 X ЮО
48Х22ХИ5
48 X 28 X И5
48ХЗЗХИ5
48 X 48 X 136
53 X 50 X 160
53 X 50 X 165
64 X 49 X 165
91 X 50 X 166
3X55X212
106 X 50 X 153
71 X 55 X 237
96 X 45 X 77
160X45X77
200Х1ЮХ160
432 X 126 X 170
вес с
электро-
электролитом,
г
24
35
95
160
190
195
245
300
330
720
760
840
1350
1820
1600
1900
590
1020
6480
16000
Номиналь-
Номинальная
емкость
при 10-ча-
10-часовом
равряде,
а ■ ч
0.85
1.8
4.5
7.5
11
14
16.5
20
25
45
50
55
80
95
100
130
7.5
7.5
50
45
Удельная
емкость
при 10-ча-
10-часовом
равряде,
а • ч/кг
65
65
80
70
60
95
95
100
100
60
60
60
60
50
60
70.
70
70
60
60
Ток
5-минут-
5-минутного
разряда,
а
2
3.5
35
60
120
80
100
120
150
180
200
250
400
1200
600
650
60
60
200
200
Нормаль-
Нормальный
зарядный
ток, а
1.5
1.5
. 1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
1.5
4.5
7.5
12.0
22.5
Таблица 13
Основные характеристики некоторых марганцево-воздушно-цинковых
элементов
Наименование
элемента
Начальные харак-
характеристики при тем-
температуре +20° С
с
а
Условия
равряда
109
Габариты, мм
в
&
1.35-ТВМЦ-50
1.3-НВМЦ-150
1.3-НВМЦ-75
1.3-НВМЦ-250
1.3-НВМЦ-525
1.35
1.3
1.3
1.3
1.28
45
135
75
250
525
10
5
4.5
4.5
2
0.7
0.7
0.9
0.9
0.8
57
82
162
228
160
57
82
57
80
160
132
176
132
170
185
0.6
1.7
2.0
5.0
6.5
101

питания является одноразовым и соответственно его применение
должно быть строго согласовано с режимом эксплуатации термо-
термоохлаждающего прибора. В качестве такого источника лучше всего
подходят марганцево-воздушно-цинковые элементы. Некоторые
параметры этих элементов, выпускаемых серийно промышлен-
промышленностью, приведены в табл. 13.
§ 3. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ТОКА
В том случае, когда термоохлаждающий прибор пи-
питается от аккумулятора, время его работы ограничивается вели-
величиной емкости последнего. Естественно, что при снятии мень-
меньших токов аккумулятор может работать значительно более дли-
длительное время. Б связи с этим для питания от аккумуляторов
сильноточных термоохлаждающих приборов разработано не-
несколько типов преобразователей тока, посредством которых
ВГ-50-15
-т-
1.56 Выход
ВГ-50-15
Рис. 51. Принципиальная схема преобразователя по-
постоянного тока.
постоянный ток небольшой силы, но относительно большого на-
напряжения преобразуется в ток большой силы, но меньшего на-
напряжения.
Принципиальная схема одного из преобразователей приведена
на рис. 51. Этот прибор предназначен для преобразования энер-
энергии постоянного тока с напряжением 24 в в энергию постоянного
тока с напряжением 1.5 в. Принцип действия преобразователя
заключается в следующем: постоянный ток от первичного источ-
источника напряжения (аккумулятор) посредством генератора пре-
превращается в переменный ток, который трансформируется и вы-
выпрямляется соответствующими сильноточными вентилями.
102

Преобразователь собран по схеме двухтактного блокинг-
генератора, нагруженного на двухполупериодный выпрямитель.
В блокинг-генераторе использованы полупроводниковые триоды
П4Б, включенные попарно в каждое из двух плеч. В схеме выпря-
выпрямителя применены силовые германиевые диоды ВГ-50-15. Для
предохранения полупроводниковых триодов от выхода из строя
вследствие несоблюдения полярности при подключении преобра-
преобразователя к аккумулятору в цепи питания прибора включен гер-
Рис. 52. Общий вид промышленного образца пре-
преобразователя постоянного тока.
маниевый диод ВГ-Ю-15. Ток через диод будет проходить только
в случае правильного подключения первичного источника питания.
Блокинг-генератор дает переменное напряжение почти прямо-
прямоугольной формы с частотой около 100 гц. Для устранения вы-
выброса на переднем фронте импульсов напряжения, которые могут
привести к выходу из строя триодов, в схеме применена RC-це-
почка, которая подключается к специальной обмотке силового
тороидального трансформатора.
Основные технические параметры преобразователя следующие.
Первичный источник постоянного
тока Аккумулятор с напря-
напряжением 24 в
Ток, снимаемый с первичного источника 3.2 в
Напряжение на выходе преобразователя 1.5 в
Ток на выходе преобразователя ... 40 а
К- п. д 70%
Пульсация постоянного тока на вы-
выходе преобразователя . 60 мв
Габариты прибора (высота X шири-
ширина X длина) 140X210X260 мм
Вес прибора 6.6 кг
103

Общий вид преобразователя тока приведен на рис. 52.
В заключение следует упомянуть о появившихся в последнее
время схемах преобразователей тока на кремниевых управляе-
управляемых вентилях (КУВ) или, как их иногда называют, теристорах.
Эти преобразователи обладают рядом существенных преимуществ
перед преобразователями на триодах; в частности, их к. п. д.
достигает 80—85%.
§ 4. ТЕРМОЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРЫ
Для питания термоохлаждающих приборов могут быть
с успехом использованы термоэлектрические генераторы, с ко-
которых, как известно, можно снимать постоянный ток большой
силы при низком напряжении. Для нормальной работы термо-
термоэлектрогенератора между его холодным и горячим спаями необ-
необходимо поддерживать разность температур. В этом случае вели-
величина тока, снимаемого с генератора в нагрузку, будет опреде-
определяться соотношением:
R + r '
где а — сумма термоэлектродвижущих сил обеих ветвей термо-
термоэлемента; Гх — температура горячих спаев термоэлемента; То —
температура холодных спаев термоэлемента; R — сопротивление
нагрузки, на которую включен термозлектрогенератор; г —
внутреннее сопротивление термоэлемента.
Полезная мощность, отдаваемая термоэлектрогенератором
в нагрузку, будет равна
где
R
И, наконец, к. п. д. термоэлектрогенератора при условии
отдачи максимальной мощности в нагрузку будет равен
1 Тг-Т0
1 —'? ? 1 *
Тл 4- — — IT Т \
где z — величина, характеризующая термоэлектрические свой-
свойства используемых материалов.
Таким образом, коэффициент полезного действия термоэлектро-
термоэлектрогенератора полностью определяется разностью температур на
концах термоэлементов, величиной,' определяющей качество ис-
используемых веществ, и- отношением сопротивления нагрузки
к внутреннему сопротивлению термоэлектрогенератора.
104

Рис. 53. Схема сопряжения тер-
термоэлектрогенератора с термоэлек-
термоэлектрическим холодильником.
В полупроводниковых веществах, используемых в на-
настоящее время в термоэлектрогенераторах (ZnSb-1-константан),
z=0.5 • К) град..
В реальных условиях эксплуа-
эксплуатации термоэлектрогенераторов
температура горячего спая не пре-
превышает 400°. При более высоких
температурах ускоряются про-
процессы диффузии припоев в мате-
материал полупроводников, что в конеч
ном итоге сокращает срок службы
термоэлектрогенератора.
При разности температур меж-
между холодными и горячими спаями
в 300° к. п. д. термоэлектрогене-
термоэлектрогенератора оказывается равным 3—
5%.
Конструктивное оформление термоэлектрогенератора, пред-
предназначенного для питания термоохлаждающих приборов,, за-
зависит от требуемых электрических
'. ' параметров, используемого источ-
источника тепла, системы теплоотвода
и ряда других исходных данных.
Представляет интерес единое
* конструктивное сопряжение тер-
• моэлектрогенератора с термоох-
лаждающим прибором, что иллю-
:'.," стрируется рис. 53, а на рис. 54
приводится общий вид одного из
вариантов такого прибора. Здесь
термоохлаждающий прибор 1, на-
' Ш г ■ пример микрохолодильник для ла-
лабораторных целей, горячими спая-
, . ми 2 своей термоэлектрической
батареи 3 контактирует с тепло-
отводящей системой 4, представ-
представляющей собой полый цилиндр, в
который через штуцера 5 подается
проточная вода. С противополож-
противоположной стороны с теплоотводящей
■ - — - системой сопрягаются холодные
спаи 6 батареи термоэлектрогенера-
термоэлектрогенератора 7. С горячей стороны батареи
термогенератора 8 прикреплен на-
нагревающий элемент 9, благодаря
которому создается требуемая разность температур на термозлек-
трогенераторе. При этом в качестве источника первичного напря-
Рис. 54. Общий вид сопряжен-
сопряженного термоэлектрогенератора с
термохолодильником.
105

жения, питающего нагреватель термогенератора, может быть ис-
использован аккумулятор, сеть или любой другой источник элек-
электроэнергии постоянного или переменного тока. Таким образом,
в данном случае термозлектрогенератор является одновременно
и преобразователем тока.
Б описанной системе термоэлектрогенератор является не
только источником электроэнергии, питающей термоохлаждаю-
термоохлаждающую батарею, но и может быть использован для плавной регу-
регулировки величины охлаждения. Действительно, если изменить
величину тока, питающего нагреватель термоэлектрогенератора,
будет меняться температура на горячих спаях батареи; соответ-
соответственно этому изменится величина проходящего через охлаждаю-
охлаждающую батарею тока.
Несмотря на то что подобное устройство будет работать с очень
малым коэффициентом полезного действия, его практическое
использование в ряде случаев является вполне целесообразным.
Б том случае, если заданный срок службы термоохлаждаю-
термоохлаждающего устройства невелик и исчисляется минутами, в качестве
источника тепла для термогенератора может быть использована
пирошашка с требуемым временем горения.

Глава IX
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ
ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ТЕРМООХЛАЖДАЮЩИХ ПРИБОРОВ
Технология изготовления термоохлаждающих прибо-
приборов обладает рядом особенностей, основные из которых описы-
описываются ниже. Вопросы технологии изготовления полупроводни-
полупроводниковых материалов для термобатарей являются сугубо специфи-
специфическими и здесь разбираться не будут.
§ 1. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЕТВЕЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
Полупроводниковые сплавы электронной и дырочной
проводимости (Bi2Te3+Bi2Se3 и Bi2Te3+Sb2Te3), или, как в даль-
дальнейшем мы будем их называть, отрицательный и положительный
сплавы, поступают из соответствующих предприятий в виде
слитков.
Первой операцией является размол слитка в фарфоровой
ступке или, при больших количествах, в шаровой мельнице,
футерованной каучуком со стальными шарами. После помола
производится просеивание полученного порошка через два сита
в 50 и 80 мет. Положительный и отрицательный сплавы разма-
размалываются и просеиваются отдельно друг от друга, каждый в своей
мельнице и своих ситах. Для предотвращения окисления сплавов,
находящихся в порошкообразном состоянии, они должны хра-
храниться в банках с притертыми пробками. Количество сплава,
подвергающееся одновременному размолу, не должно превышать
одно-двухдневной потребности в нем.
Весьма ответственной операцией является прессовка ветвей
термоэлементов. Режимы прессовки для положительного и отри-
отрицательного сплавов различны. Положительный сплав прессуется
при температуре 410° и давлении 8.5 т/см2. При этом необходима
выдержка под давлением 5 мин.
Для прессовки отрицательного сплава необходима темпера-
температура 435°, давление 8 т/см2 и выдержка под давлением 5 мин.
Отклонение от указанных величин допускается в следующих
пределах: температура +5°, давление +0.5 т, время выдержки
107

+ 1 мин. Прессовка производится на гидравлическом прессе,
в специальной разъемной прессформе, конструкция которой при-
приведена на рис. 55. Подогрев прессформы до требуемой темпера-
температуры производится электронагревателем 1, расположенным
в обойме прессформы 2. Матрица 3 состоит из двух частей, обра-
обработанных снаружи на конус. Она помещается в соответствующее
коническое отверстие в обойме. Обычно следует производить
двухстороннюю прессовку образца, для чего употребляются два
пуансона 4 и 5 и резиновое кольцо 6. Измерение температуры
прессформы производится термопарой 7.
Рис. 55. Конструкция разъемной прессформы для прес-
прессовки ветвей термоэлементов.
Важным обстоятельством является выбор соответствующего
материала для матрицы и пуансонов прессформы. Дело в том,
что теллур, входящий в состав положительного и отрицательного
сплавов, при температурах прессовки взаимодействует с материа-
материалом прессформы, образуя на нем раковины, которые со временем
увеличиваются и вызывают выход прессформы из строя. Кроме
того, материал матрицы и пуансонов не должен принимать отпуск
при рабочих температурах и давлениях.
Материалом, который достаточно хорошо отвечает всем тре-
требованиям, оказалась хромо-ванадиевая сталь марки ЗХ2Б8, зака-
закаленная до Rc=55—60. Однако не исключена возможность, что
некоторые другие марки жаропрочных легированных сталей
окажутся более устойчивыми к действию сплава, чем сталь ЗХ2Б8.
Можно отметить попытку изготовления матрицы и пуансонов
прессформы из корунда (А12О3). Этот материал совершенно не
взаимодействует со сплавами, однако изготовление таких пресс-
108

форм в настоящее время со-
сопряжено с большими техноло-
технологическими трудностями.
В 1959 г. А. Н. Ворониным
и Р. 3. Гринбергом был предло-
предложен метод холодной прессовки
ветвей термоэлементов. Сущ-
Сущность этого метода заключается
в том, что процесс прессовки
ведется при комнатной темпе-
температуре, а затем спрессованные
образцы подвергаются норма-
лизационному отжигу в вакуу-
вакууме по" специальному режиму.
По своим электрическим и теп-
лофизическим свойствам образ-
образцы, полученные методом холод-
холодной прессовки, лучше образцов,
спрессованных в горячей пресс-
форме. Однако холоднопрессо-
ванные образцы обладают по-
пониженной механической проч-
прочностью, что необходимо прини-
принимать во внимание при проекти-
проектировании приборов.
Зависимость механических
свойств (сопротивление сжатию)
и перепад температур на термо-
термоэлементе от величины давления -
прессовки приведены на рис. 56.
Отечественная промышлен-
промышленность выпускает сплавы для
термоэлементов, предусматри-
предусматривающих холодную прессовку
дйя положительной ветви и го-
горячую прессовку для отрица-
отрицательной ветви. В табл. 14 при-
приведены основные свойства выпу-
выпускаемых промышленностью тер-
термоэлектрических сплавов.
После прессовки образцы
получаются анизотропными.
Для изготовления ветвей тер-
термоэлемента иногда прессуются
брикеты большого размера, ко-
которые затем разрезаются на
куски требуемой величины. При
СО
И
К
к
VD
СО
а
3
В
2
pa
с
а>
а
А
а
В
а>
Я
о
3
о
а .
s <■>
о 2
а в
II
В. п
i i ОО
00 00
1 'сото
I I
оооо
ооии
ОООЮ
CM CM CO CO
ю о
о: СХ1
oooo
lQ О lO О
!>■ O5 ОС OD
MM
oooo
oco oco
к
СО
S
И-
11
I
в
«с
S о
II
S ft
g
g
0J Н
РЗРЗРЗРЗ
109

этом необходимо руководствоваться следующим правилом: на-
направление прохождения электрического тока через термоэлемент
должно быть перпендикулярно направлению прессовки. Резка
брикета-заготовки производится на специальном станке тонкими
абразивными дисками на вулканитовой связке. Толщина исполь-
используемых дисков 0.2 мм.
Были предприняты многочисленные эксперименты по изготов-
изготовлению ветвей термоэлементов методом литья с, направленной
кристаллизацией и вытягиванию ветвей из расплава. Получен-
го
55
60
70
50
52
5S
15 ЯШ
SS ЛТ,С
Рис. 56. Зависимость перепада температур
(ДТ) и механической прочности на сжатие
по Бринелю (НВ) и Шору (НШ) от давления
(Р) при прессовке ветвей термоэлементов.
ные этим способом образцы обладают высокими теплофизическими
и электрическими свойствами, но процессы литья с направлен-
направленной кристаллизацией и вытягивание из расплава пока являются
малопроизводительными. После соответствующего усовершенст-
усовершенствования и создания высокопроизводительной аппаратуры эти
способы изготовления ветвей термоэлементов окажутся более
эффективными. Это очевидно и потому, что термоэлементы этого
типа имеют более высокую величину добротности, достигующую
у положительной ветви 3.0 • 10 град., а для отрицательной
ветви 2.8 • 10~3 град.. Таким образом, для скоммутированного
термоэлемента z оказалась равной в среднем 2.8 • 10~3 град..
Такие термоэлементы обеспечивают на одном каскаде перепад
температур 63—65° (при температуре горячего спая 20°).
§ 2. ЗАЛУЖИВАНИЕ ВЕТВЕЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТОВ
Одним из самых ответственных процессов в технологии
изготовления термоохлаждающих приборов является коммута-
коммутация термоэлементов и как одна из составных частей этого про-
процесса — залуживание веткой.
110

Как указывалось выше, добротность термоэлемента опреде-
определяется величиной
х хр
Б этой формуле учитывается только удельное сопротивление
материала ветвей термоэлемента (р) и предполагается, что все
остальные сопротивления в цепи термоэлемента бесконечно малы.
В реальных конструкциях к собственному сопротивлению ветвей
термоэлемента добавляется сопротивление переходных контактов
между полупроводником и коммутационными пластинами холод-
холодного и горячего спаев. Нетрудно показать, что в этом случае
добротность реального термоэлемента будет определяться соот-
соотношением:
где г0 — сопротивление в месте контакта полупроводника с ком-
коммутационной пластиной площадью 1 см2; I — длина ветви термо-
термоэлемента, см.
Из приведенного соотношения видно, что контактное сопротив-
сопротивление уменьшает величину добротности термоэлемента, а значит,
ухудшает рабочие параметры прибора.
Поэтому одной из основных задач техники термоэлектриче-
термоэлектрического охлаждения является изыскание способов соединения полу-
полупроводника с коммутационными пластинами с достаточно ма-
малыми переходными сопротивлениями. Элементарные расчеты по-
показывают, что величина удельного переходного сопротивления
должна быть ^10~5 ом • см. Это условие может быть выполнено
при непосредственной пайке коммутационных пластин к ветвям
термоэлемента. Однако, как известно, процесс пайки всегда
сопровождается диффузией припоя в материал спаиваемых де-
деталей. Если при пайке обычных материалов эта диффузия только
увеличивает механическую прочность шва пайки, то в случае
пайки полупроводников даже незначительное проникновение
припоя в основной материал полупроводника может радикаль-
радикальным образом изменить свойства последнего. С другой стороны,
для получения механически прочного паяного шва необходимо
допустить диффузию припоя в полупроводник.
Решение этого вопроса лежит в изыскании соответствующих
припоев, которые должны отвечать следующим основным требо-
требованиям: 1) не образовывать с материалом полупроводника соеди-
соединений, обладающих большим омическим сопротивлением; 2) при
проникновении в полупроводник не изменять его электрические,
механические и тепловые свойства; 3) иметь температуру плав-
плавления не выше 450°; 4) в расплавленном состоянии хорошо сма-
смачивать полупроводник; 5) при температуре плавления быть жидко-
111

текучим; 6) иметь небольшую разницу в температурах начала и
конца плавления (небольшая разница между линиями ликвидуса
и солидуса); 7) обладать достаточной прочностью.
Вполне очевидно, что подобрать припой, отвечающий всем
перечисленным требованиям, весьма трудно. Однако достаточно
близкими свойствами обладают припои на основе висмута. Наи-
Наиболее хорошо зарекомендовали себя на практике припои, состав
и температура плавления которых приведены в( табл. 15.
Таблица 15
Состав и свойства припоев для залуживания
полупроводников
Состав припоя
(вес. %)
lOOBi
99Bi -
95Bi-
90Bi-
90Bi-
80BiJ
- lSn
-5Sn
-lOSn
-iOSb
-20Sb
Температура
плавления, °С
271
265
255
235
350
400
Адгезия к полупроводнику
Удовлетворите льн ая.
Отличная.
Хорошая.
»
Отличная.
»
Нанесение слоя припоя на торцовые поверхности ветвей
термоэлемента производится электрическим паяльником, снаб-
снабженным бойком из чистого никеля. Применение никелевого
паяльника вместо медного вызвано тем, что медь растворяется
в припое, проникает в .полупроводник и образует с последним
теллуристые соединения, обладающие большим сопротивлением.
Температура разогрева паяльника должна быть на 20—30° выше
температуры плавления используемого припоя. Более значитель-
значительный перегрев паяльника недопустим.
Для того чтобы припой хорошо смочил поверхность полупро-
полупроводника, при пайке необходимо применять флюс. Флюс для пайки
ветвей термоэлементов должен удовлетворять следующим тре-
требованиям: 1) иметь температуру плавления значительно более
низкую, чем температура плавления припоя; 2) в жидком состоя-
состоянии хорошо смачивать поверхность полупроводника; 3) в жидком
состоянии обладать нейтральными или слабо восстанавливаю-
восстанавливающими действиями; 4) не вступать в реакцию с припоем и полу-
полупроводником; 5) после пайки легко удаляться. Всем перечислен-
перечисленным свойствам при употреблении ^исмут-оловянных- -н i . -в
удовлетворяет чистый ^стеаринГ который обычно и употребляется
в качестве- флюса.
При использовании висмуто-сурьмянистых припоев, имеющих
более высокую температуру плавления, лучше применять флюс,
112

состоящий из 20% нашатыря (NH4C1), замешанного на глице-
глицерине.
Были проведены эксперименты по залуживанию ветвей ультра-
ультразвуковым паяльником. Положительных результатов эти опыты не
дали, так как полупроводник, будучи довольно мягким, под
влиянием ультразвуковых кавитаций разрушается на поверх-
поверхности, что препятствует сцеплению припоя с полупроводником.
Проводились опыты по предварительной подготовке поверх-
поверхности полупроводника к пайке путем гальванического осаждения
тонкого слоя никеля или железа. Полученные при этом резуль-
результаты показали отсутствие переходных сопротивлений в местах
покрытий. Однако практическая реализация зтого способа ком-
коммутации сопряжена со значительными технологическими труд-
трудностями.
При залуживании полупроводника чистым висмутом или вис-
висмутовыми припоями слой припоя обычно должен иметь толщину
0.2—0.3 мм. Это необходимо для того, чтобы создать своеобраз-
своеобразный буферный слой, который должен разделять полупроводник
и коммутационную пластину, коэффициенты линейного расши-
расширения которых сильно разнятся. Без наличия буферного слоя под
влиянием частых температурных ударов, возникающих при
включении и выключении термобатареи, в спае возникают микро-
микротрещины, увеличивающие переходное сопротивление и соответ-
соответственно снижающие эффективность термобатареи.
§ 3. КОММУТАЦИЯ ТЕРМОБАТАРЕИ
Коммутацией обычно принято называть процесс сое-
соединения отдельных, предварительно, залуженных ветвей термо-
термоэлемента в термобатарею посредством так называемых коммутаци-
коммутационных пластин. Как указывалось выше, в зависимости от выбран-
выбранной схемы коммутации прибора отдельные термоэлементы могут
быть соединены друг с другом последовательно, параллельно или
последовательно-параллельно. Коммутация термобатареи, так же
как и залуживание ветвей термоэлемента, является весьма ответ-
ответственной операцией, от качества выполнения которой зависят
параметры готового прибора. Качественная коммутация должна
удовлетворять следующим основным требованиям:
1) величина переходного коммутационного слоя должна быть
не более 10~5 ом • см;
2) коммутационные пластины, посредством которых осуще-
осуществляется электрическое соединение отдельных ветвей термоэле-
термоэлементов, должны быть изготовлены из материала, обладающего
высокой электропроводностью (медь или алюминий);
3) место соединения коммутационной пластины с полупро-
полупроводником должно обладать достаточной механической прочностью;
это требование обусловлено тем, что в процессе работы термо-
8 Б. А. Коленно ИЗ

элемента в нем возникают значительные механические напряже-
напряжения, которые могут привести к разрушению термоэлемента;
4) выбранный метод коммутации должен обеспечивать дли-
длительную эксплуатацию прибора без изменения его основных
электрических и теплотехнических параметров в результате
диффузии коммутационного сплава в полупроводник;
5) после длительного хранения термоохлаждающего прибора
в коммутационном слое не должно происходить процессов рекри-
рекристаллизации и дисперсионного затвердевания, что может привести
к нарушению качества коммутации;
6) выбранный метод коммутации должен быть настолько тех-
технологичен в производстве, чтобы его выполнение было доступно
работникам средней квалификации.
За последнее время было опробовано много способов комму-
коммутации термоэлектрических батарей, однако наиболее качествен-
качественным оказался метод непосредственной пайки коммутационных
пластин к предварительно залуженным ветвям термоэлемента
легкоплавкими и мягкими припоями. Состав и температура плав-
плавления припоев, используемых при коммутации термоэлектриче-
термоэлектрических батарей, приведены в табл. 16.
Таблица 16
Состав и температура плавления коммутационных
припоев
Темпера-
Температура
плавле-
плавления, °С
60-
70.
77,
86.
92.
94,
100
105
110
1N
124
135
140
144
150
Состав сплава (вес. %)
вис-
висмут
50
50
45.3
35.3
50
50
57-2
40
36.5
33.4
44.5
58
35
60
16
сви-
свинец
25
27
17.9
35.3
30
25
17.8
40
36.5
33.3
55.5
—
35
—
36
олово
12.5
13
24.5
20.1
20
25
25
20
27
33.3
—
42
30
48
кад-
кадмий
12.5
10
12.3
9.5
—
—
—
—
—
—
—
—
—
40
Название сплава
Сплав Вуда.
Металл Лийовица.
» »
» »
Металл Лихтенберга.
Сплав Д'Арсе.
—
—
—
—
Церробейз.
—
Сплав Рове.
Широкий диапазон в температурах плавления коммутацион-
коммутационных припоев вызван тем, что в ряде конкретных случаев в зави-
зависимости от условий эксплуатации термоохлаждающего прибора
термоэлектрическая батарея работает в различных температурных
114

условиях. Кроме того, в некоторых конструкциях многокаскад-
многокаскадных термобатарей для удобства сборки отдельные каскады ком-
коммутируются припоями с различными температурами плавления.
Собственно процесс коммутации производится обычным элек-
электрическим паяльником с медным бойком, предварительно залу-
залуженным тонким слоем олова. Температура бойка паяльника не
должна превышать температуру плавления припоя более чем
на 10—20°. В противном случае происходит интенсивное растворе-
растворение коммутационного припоя в припое, которым залужен полу-
полупроводник, в результате чего резко возрастает переходное сопро-
сопротивление.
Б качестве флюса при коммутации обычно пользуются чи-
чистым стеарином.
Б связи с тем что процесс коммутации термобатареи является
относительно трудоемким, заслуживают внимания работы по
механизации этой операции. Так, например, И. Л. Герловиным
был разработан метод так называемой одновременной коммута-
коммутации термобатареи. Сущность этого метода заключается в следую-
следующем: медные коммутационные пластины посредством окунания за-
луживаются тонким слоем коммутационного сплава, состоящего
из 70% Bi и 30% Sn и имеющего температуру плавления 170°.
Ветви термоэлементов не залуживаются, а только зачищаются
на мелкой шкурке по плоскостям пайки. Затеем'ветви термоэле-
термоэлемента и залуженные пластины помещаются в специальное приспо-
приспособление, в котором они прижимаются друг к другу посредством
пружины.
Собственно процесс пайки производится путем погруже-
погружения приспособления в стеарин, нагретый до температуры на
25—30° выше температуры плавления припоя, которым были
залужены коммутационные пластины. Бремя выдержки приспо-
приспособления при заданной температуре зависит от ряда факторов,
но обычно не превышает 5 мин. Качество коммутации описан-
описанным методом зависит от величины давления прижима коммута-
коммутационной пластины к полупроводникам. Наилучшие результаты
были получены при давлении 0.75—1 кг/см2.
Переходное сопротивление в образцах термоэлементов, изго-
изготовленных методом одновременной коммутации, было достаточно
мало и составило для положительной ветви 1.42 • 10~5 ом • см
и для отрицательной ветви — 0.86 • 10~5 ом • см.
Однако следует отметить, что метод одновременной коммута-
коммутации пока может быть использован только в тех случаях, когда
термоэлемент или простейшая термобатарея представляют собой
конструктивно законченные узлы, которые уже в готовом виде
монтируются в прибор. В большинстве случаев термоэлектриче-
термоэлектрическая батарея является неотъемлемым элементом конструкции
прибора и ее коммутация описанным методом может представлять
определенные трудности.
8* 115

Контроль качества коммутации в отдельной термобатарее или
готовом приборе легче всего осуществить путем измерения паде-
падения напряжения на отдельных термоэлементах. На правильно
сконструированном термоэлементе при прохождении через него
оптимального расчетного тока падение напряжения на нем должно
быть в пределах 70—85 мв. При этом на положительной ветви
падения напряжения должно быть 30—35 мв, а на отрицатель-
отрицательной — 45—50 мв.
Следует оговориться, что указанное значение нормальных
падений напряжения на термоэлементе зависит от электропровод-
электропроводности используемого вещества и температуры термоэлемента.
Поэтому для более точного определения величины падения напря-
напряжения следует пользоваться формулами, приведенными в ч. I гл. I.
Во всяком случае значение падения напряжения на отдельных
ветвях или термоэлементах термоэлектрической батареи не должно
отличаться более чем на +5%. Падение напряжения, превышаю-
превышающее указанный предел, свидетельствует о некачественной комму-
коммутации. Значительное увеличение падения напряжения на термо-
термоэлементе свидетельствует о нарушении коммутации в результате
термических напряжений или механического повреждения. Умень-
Уменьшение падения напряжения против нормы говорит о наличии
в батарее короткого замыкания, что чаще всего бывает из-за
наплыва припоя на полупроводник.
§ 4. ПРОЧИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ
Б ряде конструкций термоохлаждающих приборов
с целью уменьшения веса и замены дефицитных материалов вместо
меди применяется алюминий. При такой замене необходимо иметь
в виду, что у чистого алюминия коэффициент теплопроводности
в 2 раза меньше, чем у меди. В связи с этим в качестве конструк-
конструкционного материала для изготовления теплоотводящих узлов и
деталей в термоохлаждающих приборах следует применять алю-
алюминий марки «А-0 или «А-00».
При использовании алюминия в теплоотводящих системах
часто возникает необходимость осуществления теплового и элект-
электрического перехода от алюминия к меди. Подобный переход
можно осуществить одним из следующих способов:
1) непосредственная пайка медной детали к алюминию чистым
оловом с применением стандартного флюса 34-А; 1
2) электрометаллизация (шоопирование) алюминия в местах,
подлежащих пайке, цинком, железом, никелем или другими
металлами с последующей пайкой к металлизированному слою
медных деталей любым мягким припоем;
1 Состав флюса 34-А следующий: хлористый литий 35%, фтористый
калий 12%, хлористый цинк 15%, хлористый калий 38%.
116

3) гальваническое покрытие алюминия никелем с последую-
последующей пайкой к этому слою медных деталей мягкими припоями.
Качественное никелирование алюминия можно получить со-
согласно следующей технологии:
1) обезжиривание алюминия в ванне состава: 25 г/л Na2CO3 -
10Н2О, 25 г/л Na^CV 12H2O, температура раствора 60—80°,
время обезжиривания 1—3 мин.;
2) тщательная промывка в воде;
3) травление в 20—25%-м растворе H2SO4 при температуре
85—90° в течение 2—5 мин.;
4) промывка в проточной воде;
5) нанесение цинкатной пленки в растворе 400—500 г/л NaOH,
50—100 г/л ZnO, температура раствора 20—30°, время обработки
0.5—1 мин.;
6) промывка в проточной воде;
7) удаление цинкатной пленки в 50%-м растворе HNO3;
8) промывка в проточной воде;
9) повторное нанесение цинкатной пленки;
10) промывка в проточной воде;
11) никелировка в ванне состава: 95 г/л NiS04, 95 г/л Na2SO4r
18 г/л NH4C1, 15 г/л Н3ВО3, температура электролита 21—27°,
плотность тока 1—-4 а/дм2.
Полученная описанным способом никелевая пленка исклю-
исключительно хорошо сцеплена с алюминием, что позволяет произво-
производить многократную пайку на ней мягкими припоями.
При соединении алюминия с другим металлом необходимо
иметь в виду электрохимические потенциалы обоих металлов. Без
учета этого обстоятельства место соединения под влиянием влаги
ив окружающего воздуха будет -подвергаться коррозии. Для
предотвращения попадания влаги в места контакта алюминия
с другим металлом эти места герметизируются эпоксидной смолой.
Б ряде приборов для создания электроизолированного тепло-
теплового перехода используются детали из оксидированного алюминия
или оксидированной меди. Приводим режимы оксидировки и ре-
рецептуру ванн.
Оксидировка алюминия
Электролит 200 г H2SO4 плотности
1.84 на 1000 г Н2О
Анод Алюминий
Катод Свинец
Напряжение 8—12 в
Плотность тока 10—20 а/дм2
Длительность процесса 20—25 мин.
Температура электролита 5—10°
Оксидировка меди
Электролит 100 г NaOH на 1000 г Н2О
Анод Медь
Катод Железо
11Т

Отношение площади катода
к площади анода 5 -• 1
Напряжение 8—10 в
Плотность тока 0.5 а/дм2
Длительность процесса .... 20—30 мин.
Температура электролита . . . 80—90 °
В технике создания термоэлектрических охлаждающих при-
приборов широко используются эпоксидные компаунды. Из большого
количества компаундов наиболее подходящими оказались ком-
компаунд, полимеризующийся при комнатной температуре, и термо-
термореактивный компаунд, для полимеризации которого требуется
нагрев. Рецептура их приготовления следующая.
I. Эпоксидная смола ЭД-6 100 вес. %
Полиэтиленполиамин 14 »
Дибутилфталат 25 »
Температура полимеризации Комнатная
Время полной полимеризации 24 часа -
II. Фталиевый ангидрид 35 вес. %
Диметилфталат 15 »
Смола ЭД-6 100 »
Температура полимеризации 160—180°
Время полимеризации 2 часа
Процесс изготовления термоохлаждающего прибора связан
с проведением ряда технохимических операций.
Рецептура основных из них приводится ниже.
1. Гладкое травление мягкой стали и никеля. 1 объемная часть H2S04
<1.84) и 5 объемных частей воды при Г=80°. После травления энергичная
промывка.
2. Энергичное матовое травление мягкой стали и никеля. 1 объемная
часть HNO3 A.4) и 1 объемная часть H2S04 A.84) при Г=20—30° в течение
5 сек. Промывка в проточной воде, сушка в термостате.
3. Травление константана. 1 объемная часть H2SO4 A.84) и 9 объем-
объемных частей воды при 71=60°. Промывка в проточной воде, метиловом спирте,
сушка в токе теплого воздуха.
4. Травление высокохромистой стали. 1 объемная часть НС1 A.19) и 1
объемная часть воды при 7'=60о. Промывка в проточной воде, сушка в су-
сухом воздухе.
5.- Матовое травление меди и ее сплавов. 1 объемная часть HNOS A.4),
2 объемные части H2S04 A.84) и 7 объемных частей воды при 71=70° в про-
продолжение 1—4 мин. Промывка в теплой воде, сушка.
6. Блестящее травление меди и ее сплавов. 7.5 г NaCl, 7.5 г NaN03,
375 мл HNOS A.4), 375 мл H2S04 A.84) и 700 мл воды при Г==25° около
1.5 мин. Энергичная промывка в воде, метиловом спирте, сушка в термостате.
7. Стравление окиси меди (СиО) с поверхности меди и медных спаев.
■Смесь раствора FeSO4 и 5%-го раствора H2SO4.
8. Матовое травление вольфрама. 150 г K3Fe(CN)e, 1000 г NaOH и 5 л
воды при Г=70° от 0.5 до 2 час. Промывка в теплой воде, быстрая промывка
в НС1 A : 2), повторная промывка в воде и сушка в теплом воздухе.
9. Матовое травление молибдена и никеля. 100 объемных частей
H2SO4 A.84) и 20 объемных частей HNO3 A.4) при Г=80°.
10. Гладкое травление молибдена, тантала, ниобия. 9 весовых частей
КОН и 1 весовая часть NaNO2. Сплавить соли в железном тигле, быстрое
118

травление (не более 1 сек.) детали в этом расплаве, быстрая промывка в ки-
кипящей воде, затем в проточной воде и метиловом спирте. Сушка в теплом
воздухе.
11. Гладкое травление вольфрама. Травление в расплавленной NaNO2;
в остальном тот же процесс, как и в рецепте 10.
12. Электрохимическое обезжиривание и травление всех металлов в
сплавов. Ванна с раствором: 6 весовых частей NaOH, 2 весовые части NaCN»
2 весовые части К2СО3, 0.8 весовой части жидкого стекла, 100 весовых частей
воды при Г=25° в течение 1—2 мин.; детали на катоде, аноды стальные,
напряжение 6—10 в, плотность тока 4—8 а/дм2. Тщательная промывка
и сушка.
13. Блестящее электролитическое травление вольфрама и молибдена.
200 г NaOH, 30 г Na2S04 • 10 Н2О и 1 л воды. Переменный ток напряжением
20—30 в. Электроды из никеля. Травление в течение 10—20 сек. при Т=25°.
Переключение ванны на постоянный ток напряжением 25—40 в; детали па
аноде, травление 5—10 сек. Промывка в проточной воде, сполаекивапие
в НС1 A : 1), промывка в проточной воде, сушка в токе теплого воздуха.
14. Блестящее электро 'еское травление никеля, его сплавов и
высокохромистой стали. 500 г Н3РО4 A.7), 250 г H2SO4 A.84) и 25 г воды
при Г=25° в течение 10—30 сек. Энергичное стравливание. Напряжение-
15—30 в, плотность тока —400 а/дм2; детали на аноде, катоды стальные.
Промывка в проточной воде 2—3 часа. Сушка в термостате.
15. Блестящее электрохимическое травление меди, ее сплавов. Ванна:
Н3Р04 A.7) при Г=25°, травление 10—30 сек.; детали на аноде, катоды
стальные, напряжение —30 в, плотность тока 80 а/дм2. Тщательная промывка
в дистиллированной воде и метиловом спирте, сушить в токе сухого воздуха.
16. Электрополировка стали, никеля, никелевых покрытий на алюми-
алюминиевых сплавах. Ванна: 750 мл Н3Р04 A.7), 150 мл HaSO4 A.84), 100 г СгО3.
При Г=60—80° плотность тока: для стали 30—40 а/дм2, для никеля
25—35 а/дм2 в течение 1—3 мин., для алюминиевых сплавов 20—30 а/дм2
в течение 5 мин.
17. Химическое чернение меди. Обезжиренные и протравленные в HNOg.
медные детали подвешиваются в ванну следующего состава: 15 г K8S2O8
(персульфат калия), 50 г NaOH, 1 л воды (дистиллированной). Температура
раствора 60—65°. Время чернения 5 мин. В процессе чернения детали пока-
покачивают в растворе, чтобы убрать пузырьки воздуха, оседающие на них.
После чернения детали промыть, просушить и протереть чистой мягкой
тряпочкой.
18. Химическое чернение латуни. Обезжиренные и протравленные
в HNOg детали подвешивают в ванну состава: 7.5 г K2S2Og, 52 г NaOH, 1 л
воды (дистиллированной). Температура раствора 60—65°. Время чернения
15—20 мин. ^
19. Химическое оксидирование латупи в черный цвет. Обезжиренные
и протравленные латунные детали на 15—20 мин. погружаются в раствор:
125 г СиСО3 • Си(ОН)а (основная углекисная медь), 355 мл NH40H B5%
раствор), 1 л воды. Температура раствора 18—20°.
20. Эматалирование — получение на алюминии электрохимическим
путем толстых непрозрачных окисных пленок, придающих изделию вид.
эмалированного. Применяется как электроизолирующее и декоративное
покрытие. Обладает значительной термостойкостью и высокими механиче-
механическими свойствами. Технология эматалирования заключается в следующем:
отполированные, обезжиренные и промытые алюминиевые детали на под-
подвесках из чистого алюминия загружаются в ванну, имеющую состав:
30 г/л СгО3, 1—2 г/л Н3ВО3. Температура электролита 45+3°, напряжение
40—80 в, плотность тока 0.4—1 а/дм2. Продолжительность оксидировки
1 час. Анодом являются подлежащие оксидированию детали. Катод — пла^
стина из нержавеющей стали. Процесс эматалирования ведется в следующей
последовательности. Изделия завешиваются на анодную штангу без тока,.
1)9.

затем в течение 5 мин. плавно повышают напряжение не более 40 в и при этом
значении выдерживают ванну в течение 30 мин. При этом плотность тока
должна быть 0.4—0.5 а/дм2. Затем напряжение поднимают до 80 в и выдер-
выдерживают его в течение 30 мин. Плотность тока при этом должна быть 1 а/дм2.
После эматалирования детали промывают и полученную оксидную пленку
уплотняют путем кипячения в воде в течение 30 мин. В случае необходимости
в дальнейшем эматаль-пленка может быть окрашена в любой цвет в водных
растворах органических красителей.
В большинстве термоохлаждающих приборов для измерения
температуры на рабочей поверхности либо в объеме в качестве
датчика используются микротермисторы МКМТ-16 или других
типов. Для осуществления надежного теплового контакта между
охлаждаемой либо нагреваемой поверхностью и микротермистором
лоследний армируется посредством серебряной или медной амаль-
амальгамы. Эти амальгамы обладают прекрасной теплопроводностью
и высокими механическими свойствами. Единственным недостат-
недостатком использования амальгамы является неразборность соедине-
соединения, вследствие чего извлечь заармированный микротермистор,
не повредив его, нельзя. Как серебряная, так и медная амальгама
серийно выпускаются промышленностью как зубоврачебный
материал.
Приводим рецептуру приготовления амальгамы.
Серебряная амальгама. В ступку насыпают
3—4 объемные части серебряного сплава и в течение нескольких
минут растирают его до получения мелкого порошка. Затем
добавляют 1 объемную часть ртути и производят переме-
перемешивание до получения однородной тестообразной массы. После
получения амальгамы ее помещают в марлю и отжимают лишнюю
ртуть, не вступившую в соединение с серебром. Подлежащий арми-
армированию термистор помещается в неглубокое отверстие, которое
заполняется амальгамой и уплотняется в нем. Полное затверде-
затвердевание серебряной амальгамы наступает через 6—8 час.
Медная амальгама приготовляется следующим обра-
образом. В зависимости от потребности одну либо несколько пласти-
пластинок амальгамы помещают в металлическую ложку и нагревают
на слабом пламени до появления на пластинах капелек выступив-
выступившей ртути. После появления ртути пластины помещаются в ступку
и растираются до образования однородной пластической массы.
Избыток ртути отжимают в марлевой салфетке. После этого
амальгама готова к употреблению. Если часть готовой амаль-
амальгамы затвердевает, её можно вновь вернуть в пластичное состоя-
состояние повторным нагревом. Время полного затвердевания медной
амальгамы 2—3 часа. Так же как и серебряная, медная амальгама
■образует неразборные соединения.

Часть III
ПРАКТИКА ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ОХЛАЖДЕНИЯ
Глава X
ВЫСОКОВАКУУМНЫЕ ЛОВУШКИ
С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
§ 1. НАЗНАЧЕНИЕ
Современная вакуумная техника в большинстве слу-
случаев имеет дело с приборами и установками, в которых рабочее
давление составляет 10~6—10"? мм рт. ст. Такие давления,
как правило, создаются посредством диффузионных пароструй-
пароструйных насосов, в которых подлежащие откачке газы диффундируют
в струю паров рабочей жидкости насоса. В дальнейшем при кон-
конденсации паров эти газы освобождаются и откачиваются форва-
куумным насосом. В качестве рабочей жидкости в диффузионных
насосах применяются ртуть (в ртутных пароструйных насосах) г
либо специальные масла с большим молекулярным весом
(М=250—550) и низкой упругостью паров (в паромасляных
диффузионных насосах). В качестве рабочих жидкостей для
паромасляных насосов используются определенные сорта мине-
минеральных масел (типа нафтенов), органические масла (например,
эфиры некоторых органических кислот) или, наконец, синтетиче-
синтетические органические масла и кремнийорганические соединения
(полисилоксаны).
В отечественной вакуумной промышленности наибольшее рас-
распространение получило вакуумное масло ВМ-1, представляющее
тяжелые фракции вазелинового масла, полученного в результате
вакуумной дистилляции.
Из практики эксплуатации высоковакуумных откачных
устройств известно, что основным фактором, обеспечивающим
предельное понижение давления в откачиваемом объеме, является
упругость паров используемой в насосе рабочей жидкости. Обыч-
Обычные масла, применяющиеся в паромасляных насосах, позволяют
1 ртутные пароструйные насосы в настоящее время применяются до-
довольно редко и то в специальных областях вакуумной техники (при откачке
мас-спектрометров, ртутных газоразрядных приборов). В связи с этим по-
последующее описание будет относиться в основном к диффузионным масляным
насосам.
■121

получить предельный вакуум 2—3 • 10 6 мм рт. ст. Дальнейшее
понижение давления невозможно из-за наличия в высокова-
высоковакуумной части системы так называемых остаточных паров.
Источником остаточных паров, ухудшающих вакуум, является
в основном пароструйный насос, из которого происходит «вылет*
масла, достигающий 10~3 мг/см2 • час. Кроме того, источником
остаточных паров могут быть стенки вакуумной камеры и рас-
расположенные в ней детали, а также продукты, выделяющиеся
в результате проведения рабочих процессов в вакууме.
Кроме ухудшения вакуума, наличие остаточных паров масла
весьма вредно сказывается на работе многочисленных вакуумных
устройств. Так, например, в ускорителях элементарных частиц
наличие паров масла вызывает диффузное рассеяние пучка,
загрязняет источники и является причиной возникновения элект-
электрических пробоев. В прецизионной вакуумной металлургии
лары масла загрязняют получаемый продукт. Мощные генера-
генераторные лампы метрового и сантиметрового диапазонов, работаю-
работающие под постоянной откачкой, при попадании в них паров масла
выходят из строя. Даже незначительное количество паров масла,
попавшее на оксидный катод в электровакуумных приборах,
приводит к потере его эмиссионной способности. В электронно-
электроннолучевых приборах (электронно-оптические преобразователи,
-фотоэлектронные умножители, приемные и передающие телеви-
телевизионные трубки и др.) попадание паров масла на светочувстви-
светочувствительный элемент — фотокатод либо мозаику — приводит к вы-
выходу прибора из строя.
Из приведенных примеров видно, насколько актуальной
является проблема предотвращения проникновения остаточных
ларов масла из диффузионного насоса в откачиваемый объем.
Одним из основных способов улучшения предельного вакуума
и значительного уменьшения количества остаточных паров
является дополнительная конденсация паров масла посредством
охлаждаемой ловушки, расположенной между насосом и откачи-
откачиваемым объемом. Следует отметить, что охлаждаемые ловушки
не являются самостоятельными откачными устройствами. Не
влияя на давление большинства газов в вакуумных устройствах,
они конденсируют пары и удерживают их на своих рабочих
поверхностях.
Понижение упругости паров на поверхностях конденсации
ловушки является функцией времени и характеризуется скоро-
скоростью действия ловушки, которая в свою очередь определяется
скоростью конденсации паров на охлажденных поверхностях.
Скорость конденсации паров в охлаждаемой ловушке можно
с достаточной степенью точности определить по формуле
122

где S — скорость конденсации паров ловушкой, л/сек.; М — мо-
молекулярный вес паров конденсирующейся жидкости; Рг — давле-
давление паров при температуре конденсации, мм рт. ст.; -Рг — пар-
парциальное давление конденсируемых паров (мм рт. ст.) при тем-
температуре 18°; А — величина эффективной поверхности конден-
конденсации ловушки, см2.
Очевидно, что при повышении температуры поверхностей
конденсации ловушки величина Рг будет приближаться к Р2
и при Р1=Р2 скорость конденсации паров в ловушке будет равна
нулю.
В настоящее время для охлаждения высоковакуумных лову-
ловушек применяются фреоновые компрессионные машины, так
называемые рассолы и жидкий азот.
К недостаткам фреоновых ловушек следует отнести относи-
относительно высокую их температуру, низкий к. п. д. системы A—3%),
что является следствием больших тепловых потерь, так как
система, содержащая компрессор и испаритель, располагается
вне ловушки.
Рассольный метод охлаждения, основанный на явлении пони-
понижения температуры при растворении в воде некоторых солей,
получил в вакуумной технике незначительное распространение
из-за недостаточного охлаждения поверхностей конденсации ло-
ловушки (до —19°) и больших эксплуатационных -неудобств.
Использование жидкого азота особенно на крупных вакуум-
вакуумных установках с большим количеством мощных насосов сопря-
сопряжено с рядом неудобств, основными из которых являются: боль-
большой расход относительно дефицитного жидкого азота, что требует
сооружения специальных, весьма дорогостоящих криогенных
станций; наличие сложной системы разводки жидкого азота„
в которой неизбежны большие потери; сложность аппаратуры
контроля уровня азота в ловушках и ряд других.
Опыт эксплуатации многочисленных высоковакуумных
устройств показал, что применение жидкого азота для охлаждения
вымораживающих ловушек в большинстве случаев не оправдано.
Масс-спектрометрические исследования количества конден-
конденсирующихся паров масла в зависимости от температуры показали,
что уже при температуре в —40° происходит практически полная
конденсация остаточных паров. На рис. 57 приведена масс-спектро-
грамма, снятая с помощью омегатрона, установленного на паро-
масляном насосе типа ЦВЛ-100, работающем на тяжелых фрак-
фракциях вазелинового масл? В масс-спектрограмме зарегистрированы
пики водорода, воды, окиси углерода и ряд пиков углеводородов
с массовыми числами от 43 до 148, характеризующих пары масла
и продукты их разложения (крекинга). Между омегатроном и
насосом помещалась ловушка жалюзного типа, температуру
которой можно было менять. При температуре на поверхностях
конденсации ловушки в —40° интенсивность основных пиков
12а

с массовыми числами 57—148 уменьшалась ь 10—30 раз (заштри-
(заштрихованные области на рис. 57). Естественно, что при этой темпе-
температуре не вымораживались продукты с малыми массовыми чис-
числами B—28). Однако наличие незначительных количеств Н2, Н2О
и СО2 в остаточных парах не столь опасно, как присутствие тяже-
тяжелых углеводородов.
Вышеприведенные данные говорят о том, что в подавляющем
большинстве случаев охлаждение вымораживающей ловушки до
—40—50° вполне удовлетворяет основным требованиям эксплуа-
«01-
го
П
I t n-\ mm
Нг НгО СО УглебовороВы
МассоВые числа
Рис. 57. Масс-спекгрограмма остаточных паров масла,
прошедших через вакуумную ловушку жалюзного типа.
Заштрихованная область — ловушка не охлаждается; незаштри-
хованная — ловушка охлаждена до .—40°.
тации высоковакуумных систем. Исходя из этого, описываемые
ниже высоковакуумные ловушки с термоэлектрическим охла-
охлаждением снабжены двухкаскадной термоэлектрической батареей,
обеспечивающей на поверхностях конденсации второго каскада
температуру —50—55°.а Трехкаскадная термобатарея обеспе-
обеспечивает на поверхностях конденсации третьего каскада темпера-
температуру —65—70°. Однако усложнение при этом конструкции ло-
ловушки является неоправданным, так как эффект конденсации
паров оказывается примерно таким же, как и при температуре
—50°.
Проникновение масла из насоса в откачиваемый объем может
идти двумя путями: либо в виде остаточных паров, несконденси-
ровавшихся в системе охлаждения насоса, либо посредством
миграции жидкой фазы масла по внутренним поверхностям стенок
вакуумной системы. Если остаточные пары можно достаточно
2 Здесь и далее температура на поверхностях конденсации ловушки из-
измерена при давлении 10~5 мм рт. ст. и температуре воды в системе тепло-
съема 18° С.
124

эффективно задержать охлаждаемой ловушкой, то для предотвра-
предотвращения проникновения в откачиваемый объем мигрирующего по
-стенкам масла требуются дополнительные устройства. Было
предложено много систем антимиграционных устройств, однако
все они только замедляли скорость миграции масла, и ни одна
из них не позволяла полностью устранить это крайне нежела-
нежелательное явление. Все известные антимиграционные устройства
основаны на искусственном удлинении пути для масла посред-
посредством создания на внутренних стенках вакуумной системы ло-
ловушки развитых поверхностей — карманов. В одних случаях эти
карманы имели температуру стенки, в других искусственно
охлаждались водой или жидким азотом.
1
Рис. 58. Схема устройства антимигратора масла.
При разработке конструкций термоэлектрических охлаждаю-
охлаждающих ловушек в них был предусмотрен антимигратор нового типа,
который основан на использовании материала, не смачивающегося
маслом.
Кроме несмачиваемости, материал антимигратора должен был
обладать низкой упругостью пара в вакууме. Этим условиям
удовлетворяет фторопласт-4 (кристаллический полимер тетра-
■фторэтилена).
Антимигратор, изготовленный из фторопласта-4, представляет
собой два кольца 1 и 2 (рис. 58), плотно посаженные в корпус
ловушки. Расстояние между фторопластовыми кольцами фикси-
фиксируется дюралюминиевым кольцом 3. Подобная система, выполнен-
выполненная «в замок», позволяет не только получить развитую поверх-
поверхность фторопласта, но и исключает возможность напыления
ларов масла на внутренние поверхности колец.
Развитие теории и практики термоэлектрического охлаждения
позволило в 1957 г. впервые создать выеоковакуумную ловушку
с термоэлектрическим охлаждением для паромасляного насоса
ММ-40А. В последующие годы были разработаны термоэлектри-
термоэлектрические ловушки для всех выпускаемых отечественной промышлен-
промышленностью диффузионных насосов.
Серийное производство термоэлектрических ловушек ведется
с 1960 г.
125

§ 2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛОВУШКИ ДЛЯ
ЕДИНОЙ СЕРИИ НАСОСОВ
В период с 1957 по 1964 г. были разработаны высоко-
высоковакуумные ловушки с термоэлектрическим охлаждением, пред-
предназначенные для работы с диффузионными паромасляными насо-
насосами так называемой единой серии. К этой серии относятся насосы
с производительностями 100 л/сек. (Н-1с); 500 л/сек. (Н-5с);
2000 л/сек. (Н-2Т); 5000 л/сек. (Н-5Т); 8000'-л/сек. (Н-8Т) и
20 000 л/сек. (Н-20Т). В стадии разработки находится ловушка
для насоса с производительностью 40 000 л/сек. (Н-40Т).
16 15
Рис. 59. Разрез ловушки ТВЛ-40-2 для насоса ММ-40А.
Все ловушки указанной серии имеют двухкаскадную термо-
термоэлектрическую батарею, холодные коллекторы которой являются
поверхностями конденсации для паров масла. Съем тепла с горя-
горячих спаев термоэлектрической батареи во всех типах ловушки
осуществляется проточной водой, подаваемой в ловушку после-
последовательно с системой охлаждения высоковакуумного насоса.
Пространственное расположение поверхностей конденсации ло-
ловушки образует «жалюзную» систему, обеспечивающую минимум
двукратное попадание молекул пара на охлажденную поверх-
поверхность. Благодаря этому «пролет» масла через ловушку не пре-
превышает 10~5 мг/см2 • час. Кроме того, при выборе числа,
формы и взаимного расположения поверхностей конденсации
учитывалось требование минимального сокращения ловушкой
скорости откачки насоса. Многочисленные испытания термо-
термоэлектрических ловушек показали, что при температуре на по-
поверхностях конденсации второго каскада —50° предельный ва-
вакуум в откачиваемом объеме улучшается на 0.7—0.8 порядка.
126

Термоэлектрическая ловушка ТВЛ-40-2 для насоса ММ-40А
в разрезе изображена на рис. 59.
Корпус ловушки 1 с фланцами 2шЗ, служащими для присоеди-
присоединения ловушки к насосу и откачиваемому объему, изготовлен
из стали. В средней части корпуса имеется кольцевая проточка 4,
закрытая кольцом 5, образующая систему съема тепла с ловушки.
Вода в рубашку охлаждения подается и сливается через два
штуцера 6. Все детали корпуса вакуумноплотно спаяны медью
по швам 7.
Одновременно с пайкой медью деталей корпуса лчэвушки осу-
осуществляется горячее меднение внутренней поверхности корпуса.
Это необходимо для последую-
последующей пайки к корпусу медных
деталей и для создания анти- ,
коррозионного защитного по- I ."■; »
крытия. Изнутри к корпусу при- ^
поем ПСР-72 припаивается мед-
медное кольцо 8. Система теплоот-
вода от термоэлектрической
батареи ловушки выполнена еле
дующим образом. i
Из алюминия марки АО или
АОО изготавливаются бобышки
9, которые электрохимическим
путем покрываются тонким B—
4 мк) слоем окиси алюминия. Рис 60 Общий вид ловушки ТВЛ-
^ ' ■ 40-2 для насоса ММ-40А.
Благодаря толщине и хоро-
хорошей теплопроводности окиси
алюминия этот слой обладает незначительным тепловым сопро-
сопротивлением. Одновременно этот слой является хорошим элек-
электроизолятором. Сверху на алюминиевые бобышки чистым оло-
оловом напаиваются медные пластинки 10, на которые в дальней-
дальнейшем монтируется термобатарея. Для создания хорошего теплового
контакта между оксидированными бобышками и кольцом 8
последнее заливается специальным сплавом 11 с темпера-
температурой плавления 140°. Двухкаскадная термоэлектрическая бата-
батарея ловушки имеет в первом каскаде 6 термоэлементов, парал-
параллельно с которыми соединены 3 термоэлемента второго каскада.
Полупроводники первого каскада 12 припоем с температурой
плавления 90° напаиваются на теплоотводящие элементы. Кол-
Коллекторы холодных спаев первого каскада выполнены из медных
сегментов 13, к внутренней поверхности которых припоем ПСР-72
припаиваются поверхности конденсации 14.
Полупроводники второго каскада 15 припаяны сплавом Вуда
к коллекторам холодных спаев первого каскада. К трем сегменто-
образным деталям 16 припаяны поверхности конденсации второго
каскада 17. Количество поверхностей конденсации в первом и
127

итором каскадах и их взаимное пространственное расположение
выбраны с учетом того, чтобы молекула пара масла претерпела
минимум двукратное отражение от охлажденных поверхностей
и, кроме того, чтобы ловушка обладала максимальной прово-
проводимостью. При выбранной системе поверхностей конденсации со-
сопротивление откачки, оказываемое ловушкой, равно 60%. Пи-
Питание термоэлектрической батареи осуществляется через вакуум-
ноплотный ввод, состоящий из впаянного 'В корпус медью
коварового стаканчика 18, в который через стекло 19 впаян молиб-
молибденовый электрод 20. Второй конец питания ловушки выведен
на корпус. Для исключения проникновения масла через централь-
центральную область ловушки служит маслоотражатель 21.
7 8
Рис. 61. Разрез ловушки ТВ Л -100-2 для насоса
ЦВЛ-100,
Общий вид ловушки ТВЛ-40-2 приведен на рис. 60.
Для насоса ЦВЛ-100 было разработано три конструктивных
варианта термоэлектрических ловушек. Они соответственно полу-
получили обозначения ТВЛ-100-1, ТВЛ-100-2 и ТВЛ-100-3. Ловушка
ТВЛ-100-1 имеет секторообразную систему поверхностей кон-
конденсации, смонтированных на первом и втором каскадах термо-
термоэлектрической батареи. Система теплоотвода и другие конструк-
конструктивные элементы ловушки аналогичны ловушке типа ТВЛ-40-2,
описанной выше. Второй конструктивный вариант ловушки
ТВЛ-100-2 имеет двухрядную жалюзную систему поверхностей
конденсации и жидкостную систему теплоотвода, расположенную
в вакуумной полости ловушки. И, наконец, третий вариант
ТВЛ-100-3 был разработан с целью максимального сокращения
сопротивления скорости откачки ловушки. Для этого корпус
ловушки имел бочкообразную форму с большим проходным
сечением в области расположения термобатареи. В серийное
производство была передана ловушка типа ТВЛ-100-2.
Разрез этой ловушки представлен на рис. 61. В стальной
корпус ловушки припоем ПСР-72 вакуумноплотно впаян тепло-
128

отводящий узел 1, изготовленный из бескислородной меди марки
«МБ». По внутренним каналам, выполненным в этом узле, про-
протекает вода, снимающая тепло с горячих спаев термоэлектриче-
термоэлектрической батареи ловушки. Подвод и слив воды производятся через
штуцера 2. Термоэлементы
первого каскада 3 припаи- . , .„
ваются к теплоотводящему ; •■ ;
основанию через электроизо- , ' Цр ;
лированные теплопереходы 4. rf *
Второй каскад термоэлемен- ^
тов 5 напаивается на тер-
термоэлементы первого каска-
каскада. Поверхности конденсации
первого 6 и второго 7 кас-
каскадов термобатареи ловушки ■ '
образуют «жалюзную» двух-
пролетную систему, обеспе- *
чивающую практически пол-
полную конденсацию остаточных Рис. 62. Общий вид ловушки ТВЛ-
паров масла при относитель- 100-2 для насоса ЦВЛ-100.
но малом сокращении скоро-
скорости откачки насоса.
Присоединение ловушки к насосу и откачиваемому объему
производится через основание 8 и фланец 9. Питание термобатареи
ловушки выведено на корпус
60 мин. и вакуумноплотный токоподвод,
состоящий из коварового ста-
стаканчика 10 и впаянного в него
через стекло 11 коварового вво-
ввода 12. Все стальные, медные
и коваровые узлы ловушки
спаяны вакуумноплотно медью
и серебряно-медными припоями
в водородной печи.
Общий вид ловушки ТВЛ-
100-2 приведен на рис. 62.
Испытания ловушки показа-
D со п ли, что минимальная темпера-
Рис. 63. Скорость понижения тем- ' г
пературы на поверхностях конден- тУРа на поверхностях конденса-
сации второго каскада ловушки ции второго каскада ловушки
ТВЛ-100-2. устанавливается через 55 мин.
после включения, причем пони-
понижение температуры происходит не линейно со временем. Это от-
относится ко всем типам термоэлектрических вакуумных ловушек.
Скорость понижения температуры на поверхностях кон-
конденсации второго каскада ловушки ТВЛ-100-2 приведена на
рис. 63. ^
9 Е. А. Коленко 129

На рис. 64 приведен разрез ловушки типа ТВЛ-5с-4 для на-
насоса Н-5с.
К стальному корпусу 1 приварены стальные фланцы 2 и 3,
служащие для присоединения ловушки к насосу и откачивае-
откачиваемому объему. В корпус ловушки вваривается система тепло-
съема, представляющая собой стальной вкладыш 4 с двумя ка-
каналами для прохождения воды, снимающей тепло с горячих
спаев термобатареи. Термоэлементы перво™ каскада 5 через
гофрированные теплопереходы 6 припаиваются к теплоотводя-
щему основанию. Коллекторы холодных спаев 7 несут на себе
Рис. 64. Разрез ловушки ТВЛ-5с-4 для насоса Н-5с.
расположенные под углом 45° к оси поверхности конденсации 8,
которые имеют температуру —26°. Термоэлементы второго кас-
каскада 9 припаиваются к коллекторам холодного спая первого
каскада, при этом электрическое питание второго каскада термо-
термобатареи осуществляется параллельно питанию первого каскада.
Термоэлементы второго каскада несут на себе коллекторы холод-
холодных спаев 10, снабженные поверхностями конденсации 11, рас-
расположенными под углом 90° к поверхностям конденсации первого
каскада. На поверхностях конденсации второго каскада, как
указывалось выше, температура достигает —50—52°.
Электрическое питание термоэлектрической батареи осуще-
осуществляется через вакуумноплотный ввод 12. Второй полюс питания
термобатареи выведен на корпус -ловушки. Вода в системе тепло-
съема подается через два штуцера 13.
Общий вид ловушки представлен на рис. 65.
Ловушки для более мощных насосов (начиная с насоса Н-2Т)
конструктивно отличались от описанных ловушек. Эти отличия
сводились к следующему.
130

1. В результате значительной тепловой нагрузки на поверх-
поверхности конденсации первого каскада, приносимой парами масла,
в ловушке был предусмотрен еще один ряд поверхностей конден-
конденсации, смонтированный непосредственно на теплоотводящих осно-
основаниях и соответственно имеющий температуру воды в системе
теплосъема. Таким образом, эта система поверхностей конденса-
конденсации принимала на себя основную тепловую нагрузку, снижая
тем самым нагрузку на термоэлектрическую батарею.
2. Скорость «откачки ловушки» определяется объемом пара,,
конденсирующегося в ней за 1 сек., поэтому было предусмотрена
,]
Рис. 65. Общий вид ловушки ТВЛ-5с-4
для насоса Н-5с.
увеличение эффективной площади ловушки, т. е. развитие по-
поверхностей конденсации. В связи с этим корпуса ловушек имеют
увеличенную площадь сечения без изменения присоединительных
размеров. В результате этого, несмотря на наличие трехрядной
системы поверхностей конденсации (азотная ловушка имеет всего
один ряд поверхностей конденсации), сопротивление откачки
у термоэлектрических ловушек оказалось меньшим, чем у соот-
соответствующих им азотных ловушек.
В последнее время для насосов (начиная с Н-2Т) разработаны
и изготовлены образцы разборных ловушек, у которых термо-
термоэлектрическая батарея вместе с системой поверхностей конден-
конденсации может выниматься из корпуса ловушки. Такое конструк-
конструктивное решение облегчает разборку ловушки для периодической
чистки от сконденсировавшегося масла, так как не требует де-
демонтажа ловушки из вакуумной системы.
На рис. 66 приведен разрез разборной ловушки типа ТВЛР-2Т-2
для насоса Н-2Т. Здесь термоэлектрическая батарея вместе с си-
системой электропитания и теплоотвода представляет собой само-
■ 9* 131

Таблица
Предельный вакуум на агрегатах, полученный
с термоэлектрическими и азотными ловушками
17
Тип вакуум-
вакуумного агрегата
ВА-О1-1
ВА-05-1
ВА-2-3
ВА-5-4
ВА-8-4
Тип
ловушки
ТВЛ-100-2
ТВЛ-5с-4
ТВЛ-2Т-1
ТВЛ-5Т-1
ТВЛ-8Т-1
Время
выхода
ловушки
в решим,
мин.
40
60
60
70
80
Давление,
с термоэлек-
термоэлектрической
ловушкой
8 • 10
6 ■ Ю-1?
6 -10-7
6 • 10-7
7 • 10-7
мм рт. ст.
с азотной
ловушкой
8■10-7
5 • Ю-7
5-10-7
5 • 10-7
5 • 10-7
Таблица 18
Скорости откачки вакуумных агрегатов
с термоэлектрическими и азотными ловушками
Тип
агрегата
ВА-01-1
ВА-05-1
ВА-2-3
ВА-5-4
ВА-8-4
Тип
ловушки
ТВЛ-100-2
ТВЛ-бс-4
TBJI-2T-1
ТВЛ-5Т-1
ТВЛ-8Т-1
Скорость откачки, л/сек.
термоэлектриче-
термоэлектрическая ловушка
40
280
550
1300
3400
азотная ловушка
50
190
500
1200
2500"
стоятелышй конструктивный узел, который вставляется в корпус
и уплотняется в нем на вакуум по поверхности бокового фланца
корпуса. Ловушки для насосов Н-5Т, Н-8Т и Н-20Т отличаются
друг от друга количеством термоэлементов в термобатарее, режи-
режимами питания и габаритами.
На рис. 67 приведен общий вид разборной ловушки
ТВЛР-20Т-1 для насоса Н-20Т, установленной для испытаний
на откачном агрегате ВА-2-2.
Данные сравнительных испытаний термоэлектрических и азот-
азотных ловушек на предельный вакуум и скорости откачки 3 при-
приведены в табл. 17, 18. Эти испытани-я показали, что предельный
вакуум, полученный на агрегатах с термоэлектрическими ловуш-
ловушками, не хуже, чем с ловушками, охлаждаемыми жидким азотом,
3 Полные вакуумные испытания ловушек проводили Н. М. Карпенко
и Я. Л. Михелис.
132

A-A
г
7A0шт]
8 A0 mm)
0М-
Рис. 66. Разрез разборной ловушки ТВЛР-2Т-1
для насоса Н-2Т.

а скорость откачки агрегатов, снабженных термоэлектрическими
лцвушками несколько выше, чем с азотными ловушками. В ка-
качестве источника питания термоэлектрических ловушек может
быть использован селеновый выпрямитель (например, ВСА-ЗМ)
либо выпрямитель с сильноточными германиевыми диодами,
обеспечивающий требуемые параметры.
\
-■-:■■-■■ .:■■ : ..-■-: ■-:-;-'-■. ' -r\ . ■-:-
:: SV-.Г ,::";;й^//:л
Рис. 67. Общий вид разборной ловушки ТВЛР-
20Т-1 для насоса Н-20Т.
Для предотвращения проникновения паров масла из фор-
вакуумной магистрали в высоковакуумный насос была разработана
термоэлектрическая разборная форвакуумная ловушка ТФЛР-1-1.
Общий вид ловушки приведен на рис. 68.
§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА
ДЛЯ ПАРОРТУТНЫХ НАСОСОВ
Как указывалось выше, разработанные термоэлектри-
термоэлектрические ловушки предназначены для использования на паромасля-
ных насосах. Применение термоэлектрических ловушек в паро-
ртутных насосах для вымораживания паров ртути не столь эффек-
эффективно, как в паромасляных насосах. Причиной этого является
меньшая величина коэффициента аккомодации молекул ртути по
133

сравнению с маслом. Это значит, что молекула пара ртути, попав
на охлажденную поверхность конденсации, не приходит в тепловое
равновесие с этой поверхностью, а, испытав упругое рассеяние,
может пройти через ловушку. В связи с этим конструкции лову-
ловушек для вымораживания остаточных паров в парортутных насосах
должны иметь значительно большее число поверхностей конден-
конденсации, пространственное расположение которых должно исклю-
исключить «прострел» ловушки даже после двух-, трехкратного отраже-
отражения. Это обстоятельство, однако, приводит к'уменьшению про-
пропускной способности ловуш-
г ' ки.
В тех случаях, когда ве-
. *.*■> личина пропускной способ-
способности ловушки не играет осо-
особой роли, за счет соответст-
i . " вующей конфигурации и
числа поверхностей конден-
сации можно создать термо-
термоэлектрическую ловушку, до-
достаточно эффективно вымора-
вымораживающую ртутные пары.
Вторым, не менее существен-
существенным обстоятельством, кото-
которое необходимо учитывать в
конструкции термоэлектри-
Рис. 68. Общий вид термоэлектриче- ческих ловушек для паро
ской ловушки типа ТФЛР-1-1 для фор- ртутных насосов, является ис-
вакуумных магистралей. ^
г ключение возможности амаль-
амальгамирования материалов тер-
термоэлектрической батареи. Если сами термоэлементы слабо под-
подвержены влиянию ртути, то припои, материалы коммутацион-
коммутационных соединений и другие конструктивные элементы ловушки под
вержены амальгамированию, что, естественно, приводит к выходу
ловушки иэ строя. В конструкции ловушки, предназначенной
для ртутного насоса ДРН-10, максимально учтены изложенные
выше требования. Разреэ этого типа ловушки, получившей ус-
условное название ТВЛ-РН-2, приведен на рис. 69.
Однокаскадная термоэлектрическая батарея ловушки со-
состоит из двух рядов термоэлементов 1, которые через медные
коллекторы холодных спаев 2 с двух диаметрально противопо-
противоположных сторон припаяны к боковой поверхности стальной
трубы 3. Для придания конструкции ловушки многопролетности
внутрь центральной трубы с противоположных сторон специаль-
специальным припоем ПНЖ-ЗЗФ-11, не взаимодействующим с ртутью
в водородной печи, были припаяны жалюзи 4, образующие по-
поверхности конденсации ловушки. Число и пространственное
расположение жалюзи обеспечивает достаточную пропускную
'134

10
способность ловушки при ее шестипролетности (молекула пара
ртути должна претерпеть шесть соударений с охлажденной по-
поверхностью, прежде чем она пройдет сквозь ловушку). Горячие
спаи термоэлементов 5 снабжены системой водяного охлаждения 6
и комбинированными штуцерами для подключения к ловушке
воды и электропитания. Блок термобатареи выполнен из отдельных
звеньев, электроизолированных друг от друга путем заливки
в эпоксидную смолу.
Крепление ловушки в соот-
соответствующей вакуумной магист-
магистрали осуществляется через флан-
фланцы 7 и 8, в кольцевые канавки
которых 9ф помещается уплот-
уплотняющая резина.
Для сведения к минимуму
тепловых потерь от внутренней
трубы ловушки к фланцам тру-
труба крепится к ним через мемб-
мембраны 10 ж 11, изготовленные из
тонкого ковара или инвара, т.е.
из материалов, обладающих ма-
малым коэффициентом теплопро-
теплопроводности. Для придания всей
конструкции достаточной меха-
механической прочности между флан-
фланцами помещаются четыре сталь-
стальные стяжки 12.
Еис. 69. Разрез ловушки ТВЛ-РН-2
для ртутного насоса ДРН-10.
Внешний чехол 13 служит
для предохранения термобата-
термобатареи ловушки от механических
повреждений. Все металличе-
металлические детали ловушки, сеприкасающиеся в работе с парами ртути,
изготовлены из материала (сталь), неподвергающегося амальгами-
амальгамированию, и соединены друг с другом посредством аргоннодуговой
сварки.
Общий вид ловушки ТВЛ-РН-2 приведен на рис. 70.
§ 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛОВУШКИ
ДЛЯ ОТКАЧНЫХ АВТОМАТОВ
Большинство изделий электровакуумной промышлен-
промышленности (радиолампы, клистроны, магнетроны и др.), как правило,
откачиваются на автоматах, у которых высоковакуумные насосы
смонтированы на вращающейся карусели. В зависимости от
конструкции автомата и типа откачиваемых на нем изделий коли-
количество насосов на карусели может быть 12, 24, 36 либо 48. Есте-
135

ственно, что использование на таких откачных автоматах лову-
ловушек, охлаждаемых периодически действующими хладоагентами
(жидкий азот, твердая углекислота), либо ловушек, охлаждаемых
фреоновыми компрессионными агрегатами, полностью исклю-
исключается.
Вместе с тем известно, что диффузионные паромасляные на-
насосы, установленные на карусельных откачных автоматах, рабо-
работают в весьма неблагоприятных условиях (отн'рсительно высокая
температура охлаждающей
воды, высокая окружаю-
окружающая температура, перио-
„■*• дическое попадание в на-
насос небольших порций воз-
; духа на первых откачных
операциях и др.), что при-
•• водит к значительному
«вылету» масла из насоса.
Так, например, насос типа
ВО-589 с производитель-
производительностью 7 л/сек., широко
: используемый на 36-пози-
: ционных откачных авто-
I матах, дает «вылет» масла
[ - . __ в сечении верхнего фланца
0.685 мг/см2 • час. Если
Рис. 70. Общий вид ловушки ТВЛ-РН-2 учесть, что откачной штен-
для ртутного насоса ДРН-10. гель ламп, откачиваемых
на этих автоматах, имеет
проходной диаметр 3 мм и соответственно площадь сечения
около 0.07 см2, то количество масла, проникающего из насоса
через откачной штенгель, будет равно 0.05 мг/час. Так как цикл
откачки большинства типов приемноусшштельных, модулятор-»-
ных и некоторых других типов радиоламп равен 25—30 мин.,
то внутрь лампы попадает 0.025 мг масла (!).
Поскольку подавляющее большинство радиоламп имеет ок-
оксидный катод, весьма чувствительный к различным примесям,
попадание на него даже незначительных количеств масла совер-
совершенно недопустимо. В связи с изложенным была разработана
термоэлектрическая ловушка ТВЛ-7-1, предназначенная к ис-
использованию на пароструйном насосе ВО-589. Испытания ловушки
показали, что после нее «вылет» масла составляет 0.07 мг/см2 • час,
т. е. почти в 100 раз меньше, чем на насосе без ловушки. Кон-,
струкция ловушки предусматривает ее монтаж на 36-позици
онном откачном автомате без каких-либо переделок послед-
последнего.
На рис. 71 изображен разрез ловушки ТВЛ-7-1. В стальном
корпусе 1, спаянном медью в водородной печи, через клеены&
136

теплопереходы 5 монтируется термоэлектрическая батарея, со-
состоящая из двух пар термоэлементов 6. Для удобства монтажа
системы коллекторов холодных спаев 8, являющихся поверхно-
поверхностями конденсации, термоэлементы имеют попарно различную
высоту и соответственно различное сечение. Кольцо 10 образует
Рис. 71. Разрез ловушки ТВЛ-7-1 для откачных
автоматов радиоламп.
с поверхностями конденсации «замок», препятствующий прямому
пролету паров масла сквозь ловушку. Электрическое питание
термобатареи ловушки осуществляется через два изолированных
от корпуса вакуумных то-
токовых ввода 9. Необходи-
Необходимость иметь два токовых вво-
ввода вызвана тем, что все 36 ло-
ловушек, смонтированных на
автомате, электрически сое-
соединяются последовательно.
Теплосъем от термобатареи „
ловушки осуществляется про-
проточной водой от водяной си- *
стемы охлаждения пароструй-
пароструйных насосов. Для подклю-
подключения воды в корпусе ловуш-
канал 2, расположенный
Рис. 72. Общий вид ловушки ТВЛ-7-1
для откачных автоматов радиоламп.
ки имеются два штуцера 7,
через которые вода поступает в
под термоэлектрической батареей.
Монтаж ловушки на насосе осуществляется посредством рези-
резинового уплотнения, поджимаемого накидной гайкой 3. Сверху
ловушки через резиновое уплотнение 4 монтируется откачное
гнездо.
Общий вид ловушки для 36-позиционного откачного автомата
радиоламп приведен на рис. 72.
137

Таблица 19
Тип
ловушки
ТВЛ-7-1
ТВЛ-40-2
ТВЛ-100-2
ТВЛ-5с-4
ТВЛР-2Т-1
ТВЛР-5Т-1
ТВЛР-8Т-1
ТВЛР-2ОТ-1
ТФЛР-1-1
ТВЛ-РН-2
Основные
Тип
насоса
В 0-589
ММ-40А
ЦВЛ-100
Н-5
Н-2Т
Н-5Т
Н-8Т
Н-20Т
—
ДРН-10
Рабочий,
ток,
а
28
50
60
90
115
120
120
120
60
75
паспортные данные термоэлектрических вакуумных ловушек
Падение
напря-
напряжения,
0.2
0.4
0.9
1.0
3.6
5.6
9.2
21
1.2
1.0
Температура, °С
I каскад
-37
-20
-20
-20
-20
-18
-19
—20
-15
—24
II каскад
-52
-52
-50
-50
-50
-49
—51
-42
Расход
воды,
л/час
40
60
60
85
120
150
150
150
60
60
Количество термо-
термоэлементов, шт.
I каскад
2
6
10
24
48
92
110
144
12
10
II каскад
3
5
12
24
46
55
72
6
Габариты, мм
высота
62
80
90
85
145
. 170
220
266 *
120
180
диаметр
80
115
175
240
434
700
1000
1216
200
150
Вес, кг
1.12
2.1
4.6
10.6
35.0
120
240
320
9.3
5
Примечание. Значения температуры иа I и II каскадах получены при температуре воды в системе теплоеъема 18° и давлении
10-* мм рт. ет,

При температуре воды в системе теплосъема 18° и вакууме
10~5 ммрт. ст. температура на поверхностях конденсации ловушки
была —37°. Наличие ловушки на автомате сокращает скорость от-
откачки насоса на 40%. Однако этим можно пренебречь, так как
основное сопротивление скорости откачки оказывает откачное
гнездо и штенгель лампы.
Как указывалось выше, электрическое питание всех ловушек,
смонтированных на автомате, осуществляется последовательно
от одного выпрямителя. Выпрямитель собран по двухполупериод-
ной схеме на диодах ВГ-10. Для уменьшения пульсации выпрям-
выпрямленного тока выпрямитель снабжен индуктивным фильтром (дрос-
(дросселем). Рабочие параметры выпрямителя: ток — 28 а; напряже-
напряжение — 10 в; пульсация тока — 10%. Выпрямитель смонтирован
непосредственно на вращающейся карусели откачного автомата.
Основные паспортные данные термоэлектрических ловушек
приведены в табл. 19.

Глава XI
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАДИТЕЛИ
ПРИЕМНИКОВ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ
§ 1. МИКРОТЕРМОСТАТЫ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ
В последнее время фотосопротивления находят все
большее применение в разнообразных автоматических и телемеха-
телемеханических устройствах. Однако основные параметры, характери-
характеризующие работу фотосопротивления, сильно зависят от темпе-
температуры. С понижением температуры фотосопротивления снижается
величина собственных шумов,
повышается чувствительность,
улучшается стабильность и так
называемая пороговая чувстви-
чувствительность сдвигается в более
длинноволновую часть спектра.
В качестве примера на рис.
73 приведена зависимость одного
из важнейших параметров —
фототока (/ф) — от температуры
для фотосопротивления из сер-
сернистого кадмия типа ФС-К1.
В современной аппаратуре,
использующей фотосопротивле-
фотосопротивления, температура в .блоках мо-
может достигнуть 70—100°, что
делает работу фотосопротивле-
1Ф
800
600
Ц00
200
100 80
-t°c
80 100
Рис. 73. Зависимость фототока от
температуры для фотосопротивления
ФОК1.
ния весьма нестабильной. Об-
Общепринятые методы охлаждения — использование холодильных
машин или охлаждающих сред (жидкий азот, твердая углеки-
углекислота) — в силу ряда эксплуатационных неудобств не всегда могут
быть применены.
Термоэлектрический метод охлаждения позволил создать ма-
малогабаритные устройства, понижающие температуру фотосопро-
фотосопротивления относительно окружающей среды до 100°. Кроме того,
эти устройства посредством внешней схемы позволяют стабили-
стабилизировать температуру фотосопротивления на любом заданном
уровне с точностью +0.1°.
140

Было разработано 4 конструктивных варианта устройств для
охлаждения фотосопротивлений, отличающихся друг от друга
максимальной величиной перепада температур, системой съема
тепла с термоэлектрической батареи, габаритами и рядом других
параметров, обусловленных требованиями эксплуатации.
Приборы всех типов выполнены в виде самостоятельных,
конструктивно законченных узлов, которые могут быть непосред-
Рис. 74. Аксонометрический разрез первого
варианта микротермостата для охлаждения
фотосопротивлений.
ственно размещены в аппаратуре. На рис. 74 изображен аксоно-
аксонометрический разрез первого варианта прибора.
На алюминиевом основании 8 помещается двухкаскадный тер-
термоэлектрический элемент 5, к холодному спаю 1 которого крепится
фотосопротивление 2. Для электроизоляции горячих коллекторов
термоэлемента 7 от основания последнее электрохимическим путем
покрывается тонким A—2 мм) слоем окиси алюминия. Питание
термоэлемента, а также выводы от фотосопротивления и микро-
термистора через изоляторы 10 присоединяются к октальному
ламповому цоколю 13, посредством которого микротермостат
подключается к аппаратуре. Герметизация стеклянных изолято-
141

ров в корпусе осуществляется эпоксидной смолой 11. Сверху тер-
термопара закрывается колпачком 6, снабженным слюдяным окном 3.
Слюда к колпачку и колпачок к корпусу прикрепляются также
посредством эпоксидной смолы. Поддержание температуры фото-
фотосопротивления на требуемом уровне осуществляется внешней
схемой, датчиком которой служит микротермистор 4, присоединен-
присоединенный к холодному спаю термоэлектрической батареи.
Для уменьшения теплообмена между холодным коллектором
термоэлемента и расположенным на нем фотосопротивлением с ок-
окружающим воздухом внутренний объем прибора вакуумирован.
Откачка прибора производится через металлический штенгель 12,
который «отпаивается» методом холодной сварки. Крепление ми-
микротермостата к аппаратуре осуществляется посредством фланца 9,
чем обеспечивается хороший тепловой контакт и соответственно
теплоотвод от термоэлемента.
Ниже приводятся основные параметры микротермостата.
Максимальный перепад температур (при температуре
окружающего воздуха 20°) 60°
Оптимальный ток 20 а
Падение напряжения на приборе 0.15 в
Потребляемая мощность 3 вт
Габариты:
высота , 60 мм
диаметр 47 мм
Вес 150 г
Второй конструктивный вариант прибора предназначен для
более глубокого охлаждения фотосопротивления, вплоть до —60—
—65°. Полупроводниковая батарея в данной конструкции при-
прибора состоит из трех параллельно соединенных каскадов, причем
первый каскад содержит три пары термоэлементов, второй каскад
состоит из двух термоэлементов и третий каскад образован одним
термоэлементом. Количество термоэлементов в каждом каскаде
обусловлено требуемой холодопроизводительностью, которая
должна обеспечить прием тепла, выделяемого горячими спаями верх-
верхних каскадов. Горячие коммутационные пластины первого каскада
термобатареи имеют сквозные каналы для прохождения воды, по-
посредством которой осуществляется съем тепла от термобатареи.
Электрическое питание подключается через две клеммы, при-
припаянные к штуцерам водяного охлаждения.
Все элементы термобатареи заливаются в термореактивный
эпоксидный компаунд, после чего система становится единым кон-
конструктивно законченным прибором: Фотосопротивление наклеи-
наклеивается на коллектор холодных спаев третьего каскада термобата-
термобатареи и через 1—2 мин. после включения термобатареи приобретает
температуру коллектора.
Для уменьшения теплообмена второго и первого каскадов
с окружающей средой вся термобатарея закрывается пенопластом.
142

Основные параметры прибора этого типа:
Оптимальный ток 94 а
Падение напряжения яа приборе . 0.21 в
Потребляемая мощность 19.8 вт
Теплоотвод Проточная вода
Расход воды 0.5 л/мин.
Максимальный перепад температур
(при температуре воды 20°) . . . 80°
Габариты:
диаметр 55 мм
высота 40 мы
Вес 250 г
Несмотря на значительный перепад температур, обеспечивае-
обеспечиваемый описанным трехкаскадным микрохолодильником,, его при-
применение возможно в аппаратуре, в которую может быть подана
вода. В ряде случаев использования фотосопротивлений это ус-
9
У/777777777777777777777
13.
Рис. 75. Разрез треккаскадного охладителя для фото-
сопротивлений с последовательно-параллельным питанием
каскадов.
ловие не может быть удовлетворено. В связи с этим был разра-
разработан третий вариант конструкции микрохолодильника, позво-
позволяющий осуществить глубокое охлаждение фотосопротивления
при съеме тепла с горячих спаев термобатареи посредством си-
системы воздушных радиаторов, принудительно обдуваемых мало-
малогабаритным вентилятором. Прибор предназначался для охлажде-
охлаждения пленочного фотосопротивления, расположенного в вакууми-
рованной стеклянной колбе. Для охлаждения этого фотосопротив-
фотосопротивления требовался перепад температур в 100° (от окружающей тем-
температуры 40°).
143

В трехкаскадной термоэлектрической батарее прибора в отли-
отличие от термобатареи, используемой в предыдущем варианте, где
все три каскада были параллельно соединены друг с другом, пер-
первый и второй каскады соединены последовательно, а третий кас-
каскад — параллельно со вторым. Такой метод соединения каскадов
позволяет повысить холодопроизводительность второго каскада
при данном рабочем токе, питающем батарею.
Конструктивно прибор выполнен в виде блока-радиатора, на
котором расположена термоэлектрическая батарея. Снаружи блок-
радиатор закрывается чехлом, снабженным вентилятором, с ма-
малогабаритным экономичным электродвигателем.
Разрез этого варианта прибора приведен на рис. 75.
На теплоотводящее основание 1 через специальные теплопе-
реходы 2 монтируется первый каскад термоэлектрической бата-
батареи 3. Последовательно с ним через теплопереходы 4 соединяются
термоэлементы второго каскада 5. Коллекторы холодных спаев
второго каскада выполнены в виде разрезанного по диаметру фи-
фигурного стержня 6, в верхней части которого находится термоэле-
термоэлемент третьего каскада 7, который соединен параллаяьно к термо-
термоэлементам второго каскада. В коллектор холодного спая третьего
каскада 8 на серебряной амальгаме закреплен микротермистор 9,
являющийся датчиком в схеме стабилизации температуры. Рас-
Расположенное в вакуумной колбе фотосопротивление 10 одевается
непосредственно на термоэлемент третьего каскада. Для умень-
уменьшения теплопритоков извне служит теплоизоляция 11 и 12, вы-
выполненная иэ пенопласта. Снаружи термобатарея закрывается
защитным кожухом из декоративной пластмассы 13. Фотосопро-
Фотосопротивление крепится на охладителе посредством эпоксидного ком-
компаунда 14. Электрическое питание на термобатарею подается че-
через две гибкие шины 15.
Приводим основные параметры этого типа охладителя.
Рабочий ток 52 а
Падение напряжения на термобатарее 1 в
Потребляемая мощность 52 вт
Система съема тепла Воздушная с
принудитель-
принудительным обдувом
Максимальный перепад температур (при темпе-
температуре окружающего воздуха 40°) 102°
Время установления минимальной температуры . . 2 мин.
Тип электродвигателя для вентилятора МУ-010
Напряжение питания электродвигателя 27 в
Потребляемая электродвигателем мощность .... 3 вт
Количество оборотов крыльчатки вентилятора . . 6000 об./мин.
Габариты:
диаметр 130 мм
высота 65 мм
Вес (без системы тенлосъема) 250 г
Время выхода в режим 4 мин.
144

Общий вид охладителя со снятой теплоизоляцией, установлен-
установленного на систему воздушного теплосъема, приведен на рис. 76.
Четвертый конструктивный вариант микрохолодильника для
фотосопротивлений предназначен для работы в инфракрасном
анализаторе жидкости.
В современном химическом производстве широко используется
полуавтоматическая аппаратура для анализа различных жидких
химических продуктов по спектрам поглощения в них инфракрас-
Рис. 76. Общий вид трехкаскадного охлади-
охладителя с системой воздушного теплосъема (теп-
(теплоизоляция снята).
ного излучения. В качестве детектора ИК-излучения служит спе-
специально разработанное для этой цели фотосопротивление типа
1Ф-1. По условиям эксплуатации окружающая температура может
достигать значения 60°, в то же время чувствительность исполь-
используемого фотосопротивления имеет максимум при 0°. В соответствии
с этим требовалось создать термоэлектрический охладитель,
имеющий небольшие габариты, экономичный и способный рабо-
работать в атмосфере некоторых агрессивных веществ.
Было разработано два варианта прибора, отличающихся друг
от друга внешним оформлением и предназначенных для устано-
установления в различной аппаратуре.
Разрез одного из вариантов прибора приведен на рис. 77.
Алюминиевый корпус 1 снабжен системой радиаторных пластин 2,
10 Е. А. Коленко
145

которые осуществляют теплосъем с горячих спаев термобатареи
путем естественной конвекции. В корпусе на двух гофрированных
теплопереходах 3 смонтирован термоэлемент 4. Коллектор холод-
\
3 8 15
Рис. 77. Разрез охладителя фотосопротивления
для инфракрасного анализатора жидкости.
ного спая 5 выполнен в виде кольца, в которое помещается фото-
фотосопротивление 6, закрепляемое на термоэлементе накидной гай-
гайкой 7. Внутри термоэлемент и фотосопротивление теплоизоли-
146

руются от внешней среды двумя блоками пенопласта 8 и 9.
В верхнем блоке пенопласта имеется кольцевая канавка 10, в ко-
которую помещается силикагель либо алюмогель, служащие для
осушки воздуха внутри прибора и тем самым исключающие вы-
выпадение росы на фотосопротивлении. Осушитель сверху закрыт
Рис. 78. Общий вид охладителя фотосопро-
фотосопротивления для инфракрасного анализатора жид-
жидкости.
мелкой сеткой 11 и пластмассовым кольцом 12. Электрическое
питание на термоэлемент подается через герметично уплотненные
в корпусе две токовые шины 13. Выводы 14 фотосопротивления
и микротермистора, служащего датчиком для схемы автоматиче-
автоматической стабилизации температуры, также герметизируются в кор-
корпусе прибора посредством специального эпоксидного компаунда 15.
Основные параметры описанного типа охладителя приведены
ниже.
Рабочий ток 25 а
Падение напряжения 0.25 в
Потребляемая мощность 6.25 вт
Температура на фотосопротивлении (при ок-
окружающей температуре 60°) 0°
Время установления стабильной темпера-
температуры ■ . 20 мин.
Вес прибора 430 г
Габариты:
диаметр 90 мм
высота 47 мм
Общий вид этого прибора приведен на рис. 78.
10* 147

§ 2. МИКРОТЕРМОСТАТ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ
БОЛОМЕТРОВ
Болометры как простые и высокочувствительные прием-
приемники лучистой энергии нашли себе довольно широкое применение.
Большее распространение получили болометры полупроводни-
полупроводникового типа, изготовленные из смеси окислов кобальта, марганца
и др. Наряду с известными достоинствами полупроводниковым
болометрам свойствен один существенный недостаток — значи-
значительная зависимость выходного сигнала от температуры. На
рис. 79 приведена эта зависимость, снятая для болометра БКМ-1,
серийно выпускаемого промышленностью. Очевидно, что для нор-
У g мальной эксплуатации такого
'?*■' типа приборов необходимо по-
понизить и стабилизировать его
температуру. Для этой цели был
разработан термоэлектрический
прибор, разрез которого при-
приведен на рис. 80.
Корпус прибора 1, изготов-
изготовленный из алюминия марки
«А-О», снабжен системой радиа-
радиаторных ребер 2, посредством ко-
которых осуществляется конвек-
конвекционный отвод тепла от тер-
термоэлемента 3. Последний смон-
смонтирован на гофрированных те-
плопереходах 4, припаянных к
основанию корпуса. В коллек-
о.е
0.6
ОА
0.2
но +го о -го -to -so с
Рис. 79. Зависимость выходного сиг-
сигнала болометра БКМ-1 от темпера-
температуры.
тор холодных спаев термоэле-
термоэлемента 5 помещается подлежащий охлаждению болометр 6, кото-
который закрепляется в коллекторе посредством накидной гайки 7.
Выводы болометра 8 сделаны на специальный герметизированный
разъем 11. Туда же подключены выводы 10 микротермистора 9,
служащего датчиком температуры прибора. Электрическое пита-
питание на термоэлемент подается через две герметично заделанные
в корпусе шины 12. Поток лучистой энергии, поступающей на
приемник, фокусируется линзой 13, закрепленной на тубусе 14.
Фиксация положения тубуса осуществляется контргайкой 15.
Теплоизоляция термоэлемента и болометра от окружающей среды
производится пенопластом 16 и 17. Для крепления прибора в ап-
аппаратуре служит основание 18.
Краткая техническая характеристика прибора следующая.
Рабочий ток 25 а
Падение напряжения 0.1 в
Потребляемая мощность 2.5 вт
Перенад температур, обеспечиваемый прибо-
прибором (при окружающей температуре 20°) . . 52°
148

Габариты:
диаметр 70 мм
длина 75 мм
Вес 335 г
в s б
11
Рис. 80. Разрез микрохолодильника для болометров.
Общий вид микротермостата для охлаждения болометров при-
приведен на рис. 81.
§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАДИТЕЛЬ
ДЛЯ РАДИАЦИОННЫХ БАЛАНСОМЕРОВ
В метеорологической практике для определения коли-
количества солнечной энергии, падающей на землю, а также коли-
количества тепла, отдаваемого земной поверхностью окружающему
воздуху, широко используются радиационные балансомеры.
В своей основе радиационный балансомер имеет «абсолютно
черную» приемную поверхность, представляющую собой обычно
зачерненную пластинку определенной площади. К приемной
пластинке прикрепляются термопары, которые регистрируют ее
температуру. Разность температур и скорость нагрева приемника
балансомера от земной поверхности и Солнца служат исходными
данными для определения радиационного баланса.
Для повышения точности измерения обычно употребляют диф-
дифференциальные балансомеры, имеющие две приемные поверхности,
14»

одна из которых измеряет радиацию Земли, а другая — радиацию
Солнца. Иногда используются дифференциальные балансомеры
Рис. 81. Общий вид микрохолодильника для боло-
болометров,
сводной приемной поверхностью, которая закрепляется в специаль-
специальном поворотном устройстве, позволяющем попеременно измерять
радиацию Земли и Солнца. Однако
описанный метод измерения радиа-
радиационного баланса дает значитель-
значительные погрешности вследствие влия-
влияния на приемные поверхности дви-
движущегося воздуха — ветра. Из-
Изменение температуры приемной
поверхности под влиянием ветра
практически очень трудно учесть,
в результате чего абсолютная до-
достоверность измерений оказывает-
оказывается низкой.
Влияние ветра на показания
балансомера можно значительно
Рис. 82. Разрез охладителя для уменьшить, если температуру при-
радиационных балансомеров. емной поверхности поддерживать
близкой к температуре окружаю-
окружающего воздуха. Вполне естественно, что для малогабаритного при-
прибора, используемого в полевых условиях, каким является радиа-
150

ционный балансомер, применение общеупотребительных методов
охлаждения приемной поверхности не представляется возможным.
Термоэлектрический метод охлаждения позволил создать при-
прибор для указанной цели. Помимо малого веса, небольшой потре-
требляемой мощности и автономности, термоэлектрический охла-
охладитель обладает еще одним существенным достоинством: посред-
посредством его температура на при-
приемной поверхности балансомера ' Л-
может быть установлена на тре- ;
буемом уровне изменением вели- " |
чины питающего охладитель тока. ' '
В случае необходимости, переклю-
переключив направление тока, от режима
охлаждения можно перейти к ре- ■,
жиму нагрева. .
Собственно охладитель (рис. 82) > |
представляет собой термоэлектри- |
ческую пару 1, холодный спай ко- j
торой образован пластинкой 2. . __ j
К горячим спаям термоэлемента
припаяны изолированные друг от Рис. 83. Общий вид охладителя
друга полуцилиндры 3, которые для радиационных балансомеров.
для увеличения поверхности теп-
лосброса снабжены ребрами 4. Питающий термоэлемент ток
подключается к клеммам 5. Крепление охладителя в системе
балансомера осуществляется посредством специальной штанги 6.
Для уменьшения паразитных теплопритоков на термоэлемент из
окружающей среды последний окружен слоем теплоизоляции 7
из пенопласта. Снаружи термобатарея защищена кольцом 8 из
декоративной пластмассы.
На рис. 83 представлен общий вид термоэлектрического охла-
охладителя для радиационных балансомеров.
Основные технические данные прибора следующие.
Максимальный рабочий ток 22 а
Потребляемая мощность (при максимальном токе) 2.3 вт
Диапазон изменения температуры +5°
Время установления стабильной температуры
(при температуре окружающего воздуха 24°
и скорости ветра 5 м/сек.) 30—60 сек.
Габариты:
диаметр 66 мм
высота 133 мм
Вес 600 г
В том случае, когда термоэлектрический охладитель эксплу-
эксплуатируется на стационарных метеорологических станциях, его
питание может быть осуществлено от сети переменного тока через
151

двухполупериодный выпрямитель, обеспечивающий требуемые
параметры питания.
Если в месте эксплуатации прибора нет стационарной электро-
электросети, он может быть запитан от соответствующих аккумуляторов
непосредственно или через преобразователь тока.
§ 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ
ДЛЯ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ
В разнообразной аппаратуре, используемой в электро-
электровике, атомной физике, астрономии, геологии, археологии и дру-
других областях современной науки и техники, широко используются
фотоумножител и.
Фотоумножители в сочетании со сцинтилляторами приме-
применяются для счета элементарных частиц, а при использовании их
с различными люминофорами удается измерять слабые излучения
в широкой области спектра, от инфракрасной до у-лучей вклю-
включительно. Фотоумножители позволяют без дополнительных схем
усиливать небольшие световые сигналы в 105—107 раз, что выгодно
отличает их от вакуумных фотоэлементов. ■
В выпускаемых промышленностью фотоумножителях в боль-
большинстве случаев светочувствительным элементом является сурь-
мяно-цезиевый фотокатод. Порог чувствительности фотоумножи-
фотоумножителей ограничен величиной темнового тока, который зависит от:
1) термоэлектронной эмиссии фотокатода и первых динодов;
2) токов утечки между анодом и другими электродами;
3) вторичной эмиссии с фотокатода и эмиттеров при бомбарди-
бомбардировке их ионами остаточного газа;
4) автоэлектронной эмиссии с фотокатода и динодов;
5) флуоресценции стекла и последних динодов.
При хорошем обезгаживании в процессе изготовления умно-
умножителя и высоком вакууме в готовом приборе большая часть тем-
темнового тока обусловлена первыми двумя причинами. Поэтому
наиболее действенным средством для уменьшения темнового тока
является подавление термоэлектронной эмиссии фотокатода и
первых эмиттеров (динодов). Это достигается охлаждением всего
прибора или фотокатода и первых динодов.
Из приведенных в литературе данных следует, что охлаждение
фотоумножителей с сурьмяно-цезиевым катодом до 0° снижает
темновой ток в 3 раза, до —10° — в 5 раз, до —30° — в 30 раз.
Дальнейшее охлаждение приводит к еще более значительному
уменьшению темнового тока.
Для охлаждения фотоумножителей применяются различные
способы (жидкий воздух, криостатические смеси, обдув охлажден-
охлажденным воздухом, твердая углекислота и т. д.). Однако из-за техни-
технических трудностей и эксплуатационных неудобств все эти способы
не нашли широкого применения. В связи с этим представляет
152

большой интерес использование для этих целей полупроводни-
полупроводниковых термоэлектрических батарей, позволяющих создать простые
и малогабаритные охлаждающие устройства.
Разработано и изготовлено несколько типов таких приборов.
На рис. 84 приведен разрез одного из охлаждающих приборов
с расположенным внутри
его фотоумножителем ФЭУ-
19М (разработка 1956 г.).
Термоэлектрическая ба-
батарея 11 состоит из 80 по-
последовательно соединен-
соединенных термоэлементов, ко-
которые после заливки в
эпоксидную смолу образу-
образуют единый блок. Холод-
Холодные спаи термоэлектриче-
термоэлектрической батареи сопрягаются
с деталью 3, которая в
свою очередь через систе-
систему пружинных контактов
2 соприкасается со стек-
стеклом колбы фотоумножите-
фотоумножителя 7 в области, прилегаю-
прилегающей к фотокатоду. Между
внешним кожухом прибора
10 и внутренним стаканом
8 помещен слой теплои-
теплоизоляции 9, выполненный
из пенопласта. Верхняя
съемная крышка прибора
5 имеет панель.б, в кото-
которую вставляется фотоум-
фотоумножитель. Для подключе-
ния к схеме на крышке *
имеется цоколь 1. Тепло
от горячих спаев термо-
термобатареи отводится на шас-
шасси 4.
Вход света на фотока-
фотокатод осуществляется через
отверстие в термобатарее. Описанный прибор предназначен для
работы в автоматических следящих системах, используемых в
практике астрономических наблюдений.
Для охлаждения фотоумножителей, используемых при сцин-
тилляционном анализе (с применением твердых или жидких сцин-
тилляторов), был разработан и изготовлен другой тип термохоло-
термохолодильника.
Рис. 84. Разрез объемного охладителя для
фотоумножителя.
15»

На рис. 85 показан термоэлектрохолодильник для охлаждения
фотоумножителя ФЭУ-11, применяемый в установке, предназна-
предназначенной для счета природного С14. В этом приборе съем тепла с горя-
горячего спая термобатареи осуществляется проточной водой. В хо-
холодильной камере, основные детали которой мало отличаются
от показанных на рис. 84, предусмотре-
предусмотрело место для кюветы с жидким сцинтил-
штором. ,
В описанных термоэлектрических
холодильниках (объем 800 см3) получено
;нижение температуры против комнат-
гой на 30—35°. Стационарный режим в
гамере устанавливается за 40—50 мин.,
фи этом на фотокатоде температура бы-
ta —10—12°, а в объеме — на 5—6°
!ыше. Следует иметь в виду, что кон-
;енсация водяных паров, которые име-
этся в охлаждаемом объеме, может су-
существенно ухудшить работу фотоумно-
фотоумножителя, поэтому в камеру помещается
сушитель (силикагель, ангидрон или
люмогель).
При испытаниях описанных выше
ермоэлектрических холодильников вы-
снилось, что для достижения тех же
езультатов необязательно помещать
есь фотоумножитель в холодную ка-
еРУ» а достаточно понизить темпе-
атуру торцовой части фотоумножи-
еля, на которую нанесен фотокатод.
На рис. 86 изображен термоэлек-
термоэлектрический холодильник для охлажде-
охлаждения торцовой части умножителя ФЭУ-
19. Термоэлектрическая батарея этого
холодильника имеет два каскада, при-
причем общий перепад температур дости-
достигает 55°. Съем тепла с горячих спаев
термоэлектрической батареи осуществляется проточной водой
с расходом около 50 л/час. . Использование воды для съема
тепла позволило резко сократить габариты и вес холодильника.
Отбор тепла от фотоумножителя осуществляется посредством хо-
хорошего теплового сопряжения коллектора холодных спаев термо-
термоэлектрической батареи с торцовой поверхностью фотоумножителя.
В результате такого сопряжения рабочий диаметр фотокатода не-
несколько сокращается (с 40 до 25 мм), однако в подавляющем боль-
большинстве случаев такое сокращение не играет существенной
роли.
Рис. 85. Общий вид холо-
холодильника для фотоумножи-
фотоумножителя ФЭУ-11, используе-
используемого в аппаратуре сцинтил-
ляционного анализа.
154

Термоэлектрическая батарея холодильника этого типа как
в первом, так й во втором каскадах расположена по окружности,
в центре которой имеется отверстие для прохождения света на
фотокатод умножителя.
Система горячих коммутационных пластин холодильника со-
состоит из девяти алюминиевых сегментов 6, внутри которых имеется
Рис. 86. Разрез холодильника с жидкостным тепло-
съемом для охлаждения торцовой части фотоумно-
фотоумножителя.
кольцевой канал 1 для воды, снимающей тепло с горячих спаев
термобатареи. В местах напайки на горячие коммутационные пла-
пластины полупроводников первого каскада на алюминий напаяны
красномедные. накладки 2. Вода подается и сливается через два
штуцера 3, закреплённых в корпусе эпоксидным клеем. Вся си-
система горячих коммутационных пластин заливается в эпоксидную
смолу 4, причем между сегментами предварительно помещаются
155

электроизоляционные прокладки 5. Такая система сборки ос-
основания термоэлектрической батареи позволяет получить единый
механически прочный узел с электроизолированными друг от друга
коммутационными пластинами. Термоэлектрическая батарея пер-
первого каскада состоит из восьми термоэлементов. Второй каскад
состоит из двух термоэлементов. Общий вид холодильника этого
типа с установленным в нем фотоумножителем ФЭУ-19М приведен
на рис. 87.
В 1959 г. в связи с успехами, достигнутыми в<области техноло-
технологии изготовления термоэлектрических охлаждающих устройств,
Ж;; й-
if!
■:.;:;..-;-Sj.-:;;-:
ЯШ
■H;L =->
■■■£, >;
чш
*:', >■;■■■;
it
*;*■"*•"*
л ; W \
jv "j;.;;;;:;
r'Wr -
Рис. 87. Общий вид холодильника с жидкостным
теплосъемом, установленного на фотоумножителе.
был разработан новый конструктивный вариант прибора для ох-
охлаждения фотоумножителей. Конструкция прибора предусматри-
предусматривает, так же как и предыдущий вариант с жидкостным отводом
тепла, охлаждение стекла колбы, на которое нанесен фотокатод.
Отличительной особенностью этой конструкции является возмож-
возможность осуществления жидкостного или принудительного воздуш-
воздушного съема тепла с горячих спаев термобатареи. Двухкаскадная
термоэлектрическая батарея имеет последовательное питание
первого и второго каскадов. Этим достигается большая холо-
допроизводительность второго каскада и соответственно боль-
большой перепад температур, достигающий на всем устройстве
60-65°.
Термобатарея через электроизолированные переходы, обладаю-
обладающие малым тепловым сопротивлением, напаяна на алюминиевый
блок, снабженный системой радиаторных пластин для воздушного
отвода тепла и каналом для прохождения воды при жидкостном
съеме тепла. Для максимального сокращения габаритов прибора
156

и уменьшения его веса поверхность радиаторных пластин обду-
обдувается малогабаритным вентилятором, смонтированным в па-
патрубке на кожухе прибора. Благодаря применению принудитель-
принудительного обдува поверхность радиаторных пластин удалось уменьшить
в 7 раз против требуемой площади при естественном конвекцион-
конвекционном отборе тепла.
Рис. 88. Общий вид холодильника для
фотоумножителя с комбинированной
воздушно-жидкостной системой тепло-
съема.
Рис. 89. Шумовые харак-
характеристики фотоумножителя
ФЭУ-19 с холодильником
и без холодильника.
N — отсчет пересчет™ 6/4; V—
уровень сигнала дискримина-
дискриминатора, в.
Тепловое* сопряжение торцовой части фотоумножителя с кол-
коллектором холодных спаев второго каскада термобатереи осу-
осуществляется через резиновую прокладку толщиной 0.2 мм, накле-
наклеенную на коллектор. Подобный способ сопряжения исключает
плохой тепловой контакт торцового стекла фотоумножителя с хо-
холодными спаями термобатареи. Для уменьшения тепловой на-
нагрузки на термобатарею из окружающей среды в приборе имеется
теплоизоляция, выполненная из пенопласта. Подключение
электропитания к термобатарее осуществляется через токовые
вводы, а подключение воды в случае жидкостного съема тепла —
через штуцера.
157

Общий вид термоэлектрического холодильника с комбиниро-
комбинированной воздушно-жидкостной системой съема тепла и установлен-
установленным на нем фотоумножителем ФЭУ-19 изображен на рис. 88/ Ис-
Испытания холодильника показали, что при температуре окружаю-
окружающего воздуха 20°, при воздушном съеме тепла через 10 мин.
температура в центре фотокатода понижалась до —37°.
Шумовые характеристики фотоумножителя ФЭУ-19 с холо-
холодильником 1 и без холодильника 2 изображены на рис. 89.
Таблица 20
Основные данные термоэлектрических приборов для охлаждения
фотоумножителей
Тип прибора
ей О
ан
^ to СО
а
о
£
К
Габари-
Габариты, мм
С естественно-конвекцион-
естественно-конвекционным теплоотводом (ох-
(охлаждается весь фотоум-
фотоумножитель)
С жидкостным теплоотво-
теплоотводом (охлаждается весь
фотоумножитель) . . . .
С жидкостным теплоотво-
теплоотводом (охлаждается фото-
фотокатод) . . .
С воздушно-жидкостным
теплоотводом (охлаж-
(охлаждается фотокатод) . . .
-15
-20
—40
-304-
-—40
10
10
38
36
0.8
1.58
30
30
30.5
57 + Ю
на дви-
двигатель
венти-
вентилятора
50
50
100
280
300
60
95
110
110
90
И4
3000
3500
275
2300
Основные технические параметры термоэлектрических холо-
холодильников для охлаждения фотоумножителей приведены в табл. 20.
Эксперименты, проведенные с охлаждением фотоумножителей
ФЭУ-19М показали, что в отдельных случаях охлаждение фото-
фотокатода не приводит к ожидаемому снижению величины темнового
тока. Объясняется это тем, что темновой ток фотоумножителя
обусловлен не только термоэмиссией фотокатода, но также разряд-
разрядными явлениями в остаточном газе и, что наиболее существенно,
158

радиоактивностью К40, содержащегося в стекле, из которого из-
изготавливается колба умножителя, и слюде, на которой смонти-
смонтированы диноды.
Таким образом, успешное применение охлаждения, в частности
термоэлектрических холодильников, для снижения темнового
тока тесно связано с технологией изготовления фотоумножителя.
В том случае, когда темно вой ток обусловлен только термо-
термоэлектронной эмиссией фотокатода, применение термоэлектриче-
термоэлектрических холодильников весьма эффективно.

Глава XII
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ОХЛАЖДАЮЩИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ МЕДИЦИНЫ
§ 1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КРИОЭКСТРАКТОР
КАТАРАКТЫ
Катаракта — помутнение хрусталика глаза — является
одной из самых частых причин полной потери зрения у людей
пожилого возраста. Различные формы катаракты встречаются
у больных и других возрастных групп, включая врожденную ка-
катаракту у детей.
Впервые об этом заболевании упоминается в ассирийских
трактатах, датированных III веком до н. э. С того времени уче-
ученые всего мира изыскивают наиболее рациональные способы уда-
удаления серого катарактального диска, расположенного против
зрачка и мешающего проникновению света в глаз. Древние оку-
окулисты научились различными механическими способами сталки-
сталкивать помутневший хрусталик в сторону от зрачка. Этот метод по-
получил название «снятие пелены». Однако через некоторое время
хрусталик занимал первоначальное положение и больной вновь
лишался зрения.
В 1752 г. французскому врачу Давиелю впервые удалось через
разрез роговицы тонким пинцетом извлечь помутневший хруста-
хрусталик из глаза. За прошедшие более чем 200 лет операция экстрак-
экстракции катаракты претерпела ряд усовершенствований как в части
создания соответствующих инструментов, так и в отработке тех-
техники выполнения операции. В настоящее время единственным
способом лечения катаракты является хирургическое удаление
помутневшего хрусталика с последующей компенсацией его оп-
оптических свойств очками.
Несмотря на столь широкое распространение, операция
экстракции катаракты еще имеет ряд слабых мест, устранению
которых посвящены многочисленные работы отечественных и за-
зарубежных авторов.
В современной офтальмохирур'гической практике существуют
четыре способа извлечения хрусталика:
1) механический захват хрусталика специальными пинце-
пинцетами либо присосками с последующим извлечением его через опе-
операционную рану в роговице;
2) выдавливание хрусталика через операционную рану;
160

3) комбинация способов извлечения и выдавливания;
4) использование специальных химических веществ, разру-
разрушающих циновые связки, удерживающие хрусталик в глазу.
Механические методы захвата и удаления хрусталика не дают
гарантии успешного выполнения операции, поскольку местом
приложения инструмента является капсула хрусталика, обла-
обладающая незначительной толщиной и прочностью. До последнего
времени удаление помутневшего хрусталика в капсуле предста-
представляет значительные технические трудности и доступно только
офтальмохирургам высокой квалификации. В связи с этим опера-
операция интеркапсулярной экстракции часто заменяется операцией
экстракапсулярной экстракции, т. е. удалением хрусталика по
частям. Однако при этом в глазу остается часть капсулы хруста-
хрусталика (задний листок), а нередко и катарактальная масса, кото-
которые служат субстратом для формирования пленки — вторичной
катаракты.
Метод выдавливания хрусталика связан с опасностью выпаде-
ния стекловидного тела, что приводит к полной гибели глаза.
Химическое воздействие на циновые связки, удерживающие
хрусталик в глазу, лишь частично облегчают удаление хруста-
хрусталика; однако используемые для этой цели химические вещества
воздействуют также на окружающие ткани глаза, что приводил1
к многочисленным осложнениям.
Статистические данные, имеющиеся в распоряжении глазных
клиник Советского Союза, говорят, что при использовании, опи-
описанных выше методов экстракции катаракты только ЗО—40%
больных благополучно переносят операцию, 60—70% больных
получают послеоперационные осложнения, требующие повторной
госпитализации и лечения.
В 1961 г. польским офтальмологом Крвавичем был предложен
новый метод экстракции катаракты — криоэкстракция. Суть
этого метода заключается в следующем.
Массивный металлический «карандаш» с шариком на конце —
криоэкстрактор — погружается в смесь твердой углекислоты
с метиловым спиртом. Охлажденный до температуры —78°
инструмент своим узким концом вводится в операционную рану
до соприкосновения с хрусталиком. Хрусталик примерзает
к криоэкстрактору и затем извлекается из глаза. Однако инстру-
инструмент Крвавича обладает рядом существенных недостатков, огра-
ограничивающих его широкое использование. К этим недостаткам сле-
следует отнести следующие.
1. Непостоянство температуры на острие криоэкстрактора.
В момент извлечения из охлаждающей смеси температура инстру-
инструмента слишком низка, а затем она быстро повышается за счет
теплопритока из окружающего воздуха и тканей глаза. Вслед-
Вследствие этого часто упускается момент достижения оптимальной
температуры.
И Е. А. Коленко 161

2. В случае прикосновения криоэкстрактора к роговице, ра-
радужной оболочке либо другим тканям глаза происходит их при-
мораживание, что вызывает тяжелые послеоперационные ослож-
осложнения.
3. Относительная дефицитность и дороговизна твердой угле-
углекислоты и трудности ее транспортировки ограничивают исполь-
использование метода Крвавича только глазными клиниками крупных
городов.
В 1963 г. был создан прибор, предназначенный для интеркап-
сулярной экстракции катаракты, основанный на методе криоэк-
стракции, но лишенный недостатков, присущих прибору Крвавича.
В предложенном приборе было использовано явление термо-
термоэлектрического охлаждения, позволяющее получить на рабочей
части прибора заданную температуру, поддерживаемую на тре-
требуемом уровне неограниченное время. В случае необходи-
необходимости переключением рукоятки на пульте управления прибором
охлаждаемый наконечник может быть быстро нагрет до темпера-
температуры 20°.
Термоэлектрический криоэкстрактор катаракты представляет
собой холодильник, выполненный в виде миниатюрной рукоятки,
в торце которой расположен охлаждающий полупроводниковый
термоэлемент, на который навинчивается рабочий наконечник
в виде конуса со смещенной удлиненной вершиной. Питание термо-
термоэлемента осуществляется от специального малогабаритного вы-
лрямителя, снабженного элементами автоматики и блокировки,
исключающими неправильную эксплуатацию прибора.
Съем тепла от термоэлемента производится проточной водой
ОТ водопровода, подводимой к криоэкстрактору по двум резино-
резиновым шлангам, в которых помещены токоподводящие шины. Рацио-
Рациональная конструкция криоэкстрактора, пульта управления и то-
коподводящей системы делают аппарат компактным, удобным и
безотказным в работе. Способ применения термоэлектрического
криоэкстрактора катаракты заключается в том, что охлажден-
охлажденным до —30 —35° наконечником прикасаются к обнаженному
оперативным путем хрусталику. Последний в течение 2—3 сек.
прочно примораживается к наконечнику и легко выводится из
глаза. Зона примораживания захватывает не только капсулу хру-
хрусталика, но частично проникает и в объем, что предотвращает
разрыв капсулы и связанные с этим осложнения.
Опытные образцы термоэлектрического криоэкстрактора ка-
катаракты были изготовлены в Институте полупроводников Акаде-
Академии наук СССР и переданы для клинических испытаний в ряд ве-
ведущих глазных клиник Советского Союза. По официальным
отзывам клиник и оперирующих врачей, применение термоэлек-
термоэлектрического криоэкстрактора катаракты значительно упрощает
технику интеркапсулярной экстракции катаракты. Благодаря
использованию этого прибора экстракция катаракты перестает быть
162

уделом только избранных офталь-
мохирургов и оказывается доступ-
доступной врачам средней квалификации.1
Проведенные операции на боль-
большом количестве больных практиче-
практически не дали ни одного случая после-
послеоперационного осложнения, и всем
больным было возвращено зрение.
Собственно криоэкстрактор (рис.
90) состоит из дюралюминиевого кор-
корпуса 8, в торцовой части которого
помещается два изолированных друг
от друга и от корпуса красномедных
полуцилиндра 6 и 7, образующих
основание, на котором монтируется
термоэлектрический элемент. Элек-
Электроизоляция полуцилиндров от кор-
корпуса прибора осуществляется эпок-
эпоксидной смолой. Для съема тепла, вы-
выделяющегося на термоэлементе, дета-
детали основания имеют внутри каналы,
соединенные с двумя красномедными
трубками 9, по которым протекает
снимающая тепло вода. Термоэлемент,
состоящий из двух полупроводников
4 и 5, обладающих электронной п и
дырочной р проводимостями, напаи-
напаивается на теплоотводящее основание.
На коллектор холодного спая термо-
термоэлемента 2 навинчивается рабочий
наконечник 1, изготовленный из хро-
хромированной меди и имеющий форму
удлиненного конуса со смещенной
вершиной.
В приборе использована комби-
комбинированная система токоподвода, что
обеспечивает легкость манипулирова-
манипулирования рукояткой криоэкстрактора во
время проведения операции. Эта
система состоит из двух резиновых
шлангов 10 диаметром 7x5 мм, дли-
длиной 1300 мм. Внутри шлангов про-
проходят токовые шины 11 электропи-
1 На международной Лейпцигской яр-
ярмарке 1966 г. термоэлектрический крио-
криоэкстрактор катаракты был отмечен Боль-
Большой золотой медалью.
163

тапия термоэлемента диаметром 2.5 мм, изготовленные из гиб-
гибкого красномедного кабеля во фторопластовой изоляции. Таким
образом, токовые шины непрерывно омываются водой, в резуль-
результате чего, несмотря на значительный ток, проходящий через шины,
их сечение удалось сделать достаточно малым. Подключение воды
к прибору осуществляется через комбинированные узлы 12.
Для герметизации прибора, что необходимо при его стерили-
стерилизации во время подготовки к операции, термоэлемент эакры-
to
плпплт
r%H
Л ::
Рис. 91. Принципиальная схема блока питания и
управления термоэлектрического криоэкстрактора
катаракты.
вается защитным колпачком 3 из молочного плексигласа и гер-
герметизируется эпоксидной смолой. Управление работой криоэкстрак-
криоэкстрактора сосредоточено в едином блоке управления, в котором смон-
смонтирован выпрямитель для питания термоэлемента, а также эле-
элементы автоматики и блокировки.
Принципиальная электрическая схема блока управления при-
приведена на рис. 91.
Выпрямитель, питающий термоэлемент, собран по двухполупе-
риодной схеме и состоит из силового трансформатора Тр, двух гер-
германиевых диодов Д\ и Дг (типа ВГ-50-15) и дросселя фильтра Др.
Выпрямленное напряжение после дросселя имеет величину пуль-
пульсации 5—7%, что не сказывается на работе термоэлемента. Пер-
Первичная обмотка силового трансформатора рассчитана на включение
прибора в сеть 220/127 в через переключатель напряжения сети П\.
164

Выпрямленное напряжение поступает на термоэлемент через
сильноточный переключатель /7г, который реверсирует ток на на-
нагрузке и тем самым переводит термоэлемент из режима охлаждения
в режим нагрева. Для предотвращения перегрева рабочего на-
наконечника криоэкстрактора в режиме «нагрев» в блоке управления
имеется биметаллическое тепловое реле Pi, которое отключает
питание сети через 20—25 сек.
Гидрореле Рг, помещенное в разрыве сети, исключает возмож-
возможность включения прибора без предварительной подачи воды.
Рис. 92. Общий вид термоэлектрического криоэк-
криоэкстрактора катаракты с блоком питания
и управления.
Сигнальные лампочки Л\, Л% и Лз, установленные на передней
панели блока управления, сигнализируют о включении сети и ра-
работе прибора в режиме «охлаждение» либо «нагрев». Сигнальные
лампочки включены в схему через реле Рз, которое защищает
их от перенапряжения экстратоком в момент переключения поляр-
полярности тока. Сопротивление Ri служит для исключения.попадания
напряжения на криоэкстрактор в аварийном случае, если произой-
произойдет пробой между первичной и вторичной обмотками силового
трансформатора.
В термоэлектрическом криоэкстракторе катаракты температура
рабочего наконечника зависит от температуры воды в системе
теплосъема. Но даже при температуре воды 20° (летнее время для
165

южных районов страны) температура наконечника равна —21°,
что вполне достаточно для нормальной работы с прибором.
Основные паспортные данные криоэкстрактора катаракты при-
приводим ниже.
Рабочий ток 90 a j
Рабочее напряжение 1.7 j
Потребляемая мощность 153 вт
Потребляемая мощность в сети 260 ит
Температура на рабочем наконечнике прибора
(при температуре воды в системе тепло-
съема 15°) —25 Ч- —30°
Время выхода в режим охлаждения 2 мин.
Время разогрева наконечника до 20° .... 20—25 сек.
Расход воды в системе теплосъема 40 л/час
Вес рукоятки криоэкстрактора 65 г
Габариты рукоятки:
диаметр 16 мм
высота 105 мм
Вес блока управления . 18 кг
Габариты блока управления 280 X 220 X 185 мм
Время непрерывной работы . Не ограничено
Срок службы 5 лет
Срок хранения 5 лет
Общий вид термоэлектрического криоэкстрактора катаракты
с блоком управления представлен на рис. 92.
§ 2. ПРИБОР ДЛЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РАЗДРАЖЕНИЙ
КОЖИ — ТЕРМОД
В практике физиологических исследований часто тре-
требуется осуществить охлаждение или нагрев ограниченного участка
кожи. Для этой цели обычно используют различные кожнотемпе-
ратурные приборы.
Подача температурных раздражений с помощью «температур-
«температурных коробочек» и других используемых для данной цели прибо-
приборов — термодов, заполняемых водой или льдом, не обеспечивает
точной дозировки температурного раздражения и требует дальней-
дальнейшего усовершенствования. Кроме того, понижение температуры
в этих приборах посредством различных охлаждающих сред
(вода, лед, твердая углекислота и др.) не удовлетворяет требо-
требованиям практики из-за невозможности осуществить быстрое из-
изменение температуры, что в ряде случаев крайне необходимо.
Сконструированный термод представляет собой термоэлектри-
термоэлектрический прибор, лишенный указанных недостатков. При незначи-
незначительных габаритах и.весе D50 г) он позволяет точно дозировать
температурное раздражение и при необходимости в течение корот-
короткого времени перейти от режима охлаждения к режиму нагрева.
При этом температура рабочей части термода может меняться
от —35 до -4-50°. Для удобства обращения прибор выполнен в виде
16Q

ручки (рис. 93). Охлаждение или нагрев рабочей части прибора 1
осуществляется термоэлектрической парой 2 и 3, состоящей из
одного сильноточного термоэле-
термоэлемента. Съем тепла с термобата-
термобатареи производится проточной
водой, поступающей в прибор
по двум резиновым шлангам 4.
Токоведущие провода 5, по ко-
которым подводится питание к тер-
термоэлементу, проходят внутри
водяных шлангов и при работе
прибора омываются водой. Та-
Такая система электрического и
водяного питания прибора по-
позволила значительно сократить
сечение токоподводящих прово-
проводов, что в свою очередь позво-
позволило создать гибкую, удобную
при манипулировании конструк-
конструкцию прибора. Подключение во-
воды, а также источника электро-
электропитания осуществляется через
штуцера 6 и клеммы 7.
Для непрерывного измере-
измерения температуры рабочей по-
поверхности прибора служит вы-
высокочувствительная полупро-
полупроводниковая термопара, ветви
которой состоят из теллура и
отрицательного тройного спла-
сплава, используемого для отрица-
отрицательной ветви термоэлементов.
Концы измерительной термопа-
термопары выведены из прибора вместе
со шлангами электрического и
водяного питания. Горячие ком-
коммутационные пластины термо-
термоэлемента 8 с каналом для про-
прохода воды 9 изготовлены из меди
и залиты в эпоксидную смолу 10.
Корпус 11 изготовлен из эбо-
эбонита.
Электрическая схема управ-
управления прибором (рис. 94) до-
достаточно проста и надежна, что
позволяет эксплуатировать прибор среднему медицинскому персо-
персоналу, не обладающему специальной подготовкой.
167

Установка требуемой температуры прибора как в режиме
нагрева, так и в режиме охлаждения осуществляется изме-
изменением величины сопротивления РТ, включенных в плечо
мостовой схемы. Дальнейшее поддержание температуры осу-
осуществляется автоматически посредством измерительной термо-
термонары ИТ, включенной в ту же мостовую схему. Изменение вели-
величины сопротивления РТ приводит к разбалансу моста. Постоян-
КТ
Нагревание
Охлажденае
ТЗ
Рис. 94. Электрическая схема блока питания и управления термода.
ное напряжение, возникшее в диагонали моста, подается на вибро-
вибропреобразователь ВЛ, где сигнал разбаланса преобразуется в пере-
переменный ток, который после усиления поступает на реле Р2. При
этом контакты реле замыкаются и включают выпрямитель, питаю-
питающий термоэлемент ТЭ. Температура на рабочей поверхности
прибора начинает изменяться (охлаждение или нагрев), что при-
приводит к появлению напряжения на измерительной термопаре,
которое уменьшает разбаланс моста.
В тот момент, когда температура на рабочей части термода
достигает значения, установленного в шкале РТ, мост сбаланси-
руется и прекратит подачу сигнала на усилитель. При отсутствии
сигнала на входе усилителя реле Р2 выключит выпрямитель.
Таким образом, указанная схема позволяет автоматически под-
поддерживать температуру -рабочей части термода на любом наперед
заданном уровне с точностью ±0.1°.
168

Существенное влияние на точность поддержания температуры
имеет постоянство температуры, используемой для съема тепла
воды. Стабилизация температуры поступающей в прибор воды
осуществляется контактным термометром КТ, который через
реле Pi включает или отключает питание электронагревателя В.
Рис. 95. Общий вид прибора для температурных раздра-
раздражений — термода.
Испытания прибора показали его высокие эксплуатационные
качества. Он обеспечивает постоянную дозировку термического
раздражения и возможность быстрого (в течение 1—2 мин.) пере-
перехода от режима охлаждения к режиму нагрева, что позволяет
использовать прибор в исследованиях с частым чередованием тер-
термических раздражений. Общий вид термоэлектрического прибора
для температурных раздражений приведен на рис. 95.
§ 3. МИКРОХОЛОДИЛЬНИК ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ
КОЖНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ
Некоторые заболевания кожи успешно излечиваются
посредством местного охлаждения. Если температуру поражен-
пораженного участка кожи понизить на 8—10° относительно температуры
тела, уменьшается количество веществ, потребляемых охлажден-
охлажденным участком кожи, в результате чего через некоторое время на-
наступает выздоровление.
В зависимости от рода заболевания и общего состояния боль-
больного необходимое время воздействия холодом на пораженный
участок кожи может продолжаться от нескольких недель до не-
нескольких месяцев. Естественно, что охлаждающий прибор, пред-
предназначенный для указанной цели, должен иметь незначительный
вес и размеры, быть полностью автономным, не стеснять больного
и допускать эксплуатацию при нестационарных условиях лечения.
169

Конструкция микрохолодильника, предназначенного для ука-
указанной цели, приведена на рис. 96. Однокаскадная термоэлектри-
термоэлектрическая батарея прибора содержит двенадцать термоэлементов 1.
Горячие спаи термоэлементов через электроизолированные ком-
коммутационные пластины 2 припаяны к теплоотводящей системе 3,
которая для уменьшения веса изготовлена из алюминия. Система
радиаторных пластин 4 служит для отвода тепла от термобатареи
путем естественной конвекции в окружающий врздух. К холодным
спаям термобатареи через электроизолированные коммутационные
пластины 5 припаян коллектор холодных спаев 6, являющийся
рабочей поверхностью прибора. Кольцо 7 из декоративной пласт-
пластмассы защищает термобатарею от внешних механических воздей-
воздействий и придает прибору кон-
конструктивно законченный вид.
Источник питания подключа-
подключается к микрохолодильнику по-
посредством двух клемм 8.
Для закрепления прибора
над пораженным участком кожи
руки или ноги служит специ-
специальный ремешок. В том случае,
„ «с п если потребуется понизить тем-
Рис. 96. Разрез микрохолодильника * J
для лечения кожных заболеваний. пературу кожи на других ча-
частях тела, конструкция прибора
будет несколько иной. Это отли-
отличие в основном относится к системе отвода тепла от термбатареи и
методу крепления прибора на теле. Одним из возможных конструк-
конструктивных вариантов теплоотводящей системы может быть система
двух гибких медных или алюминиевых шин, которые посредством
бандажа прикрепляются к соседним здоровым участкам кожи.
В этом случае отвод тепла от термобатареи будет производиться
непосредственно на тело, которое имеет достаточно постоянную
температуру.
Электрические параметры питания термоэлектрической батареи
микрохолодильника выбраны такими, чтобы при минимальном
потребляемом токе обеспечивалась необходимая холодопроизводи-
тельность. Кроме того, режим электропитания прибора должен
быть согласован с существующими автономными источниками
питания. В качестве источника питания могут быть использованы
серебряно-цинковые аккумуляторы, которые при незначительных
габаритах и весе обладают большой емкостью. Поскольку процесс
лечения кожных заболеваний местным охлаждением может про-
продолжаться длительное время, необходимо иметь два аккумуля-
аккумулятора, каждый из которых должен попеременно заряжаться.
Естественно, что описанный прибор может быть запитан и от
стационарного источника питания — выпрямителя — и только
временно переключаться на питание от аккумулятора.
170

На рис. 97 показан общий вид прибора (конструктивный ва-
вариант для крепления на руке).
Рис. 97. Общий вид холодильников для лечения
кожных заболеваний.
Основные технические характеристики прибора следующие.
Рабочий ток За
Рабочее напряжение 0.4 в
Потребляемая мощность 1.2 вт
Размер рабочей поверхности:
диаметр 50 мм
Габариты:
диаметр 80 мм
высота 47 мм
Вес прибора 360 г
Вес прибора с аккумулятором 1180 г
§ 4. МИКРОТОМНЫЕ СТОЛИКИ С ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ
ОХЛАЖДЕНИЕМ
В практике гистологических, патологоанатомических
и цитологических исследований для получения тончайших срезов
биологической ткани широко используется метод микротомиро-
вания. Для получения качественного среза ткань предварительно
должна быть охлаждена, причем степень охлаждения определяется
родом исследуемой ткани.
В широко распространенных замораживающих микротомах
охлаждение блока ткани производится посредством дросселиро-
дросселирования жидкой углекислоты. При этом столик микротома должен
быть соединен с углекислотным баллоном. Этот способ охлаждения
171

ткани перед микротомированием обладает рядом существенных
недостатков, основными из которых являются:
1) невозможность контроля величины охлаждения, что в ряде
случаев приводит к переохлаждению и разрушению структуры
ткани;
2) относительная дефицитность жидкой углекислоты и ее
высокая стоимость, что ограничивает применение микротомиро-
вания тканей в районных и сельских клиниках, в практике су-
судебной экспертизы и в полевых условиях;
Рис. 98. Микротомный столик с естествен-
естественно-конвекционным теплосъемом.
3) большой расход углекислоты (одного баллона хватает
на 4—6 час. непрерывной работы);
4) затруднения с транспортировкой углекислотных баллонов
(баллон весит около 100 кг).
Развитие техники термоэлектрического охлаждения позволило
создать несколько конструкций замораживающих микротомных
столиков, свободных от вышеперечисленных недостатков.
Первый конструктивный вариант термоэлектрического микро-
микротомного столика изображен на рис. 98. Термоэлектрическая бата
рея 1 состоит из четырех термоэлементов, смонтированных на горя-
горячих коммутационных медных пластинах 2. Конфигурация и гео-
геометрические размеры этих пластин выбраны в соответствии со
схемой коммутации и необходимостью максимального отвода тепла
от них на радиатор. Верхние коммутационные пластины термо-
термобатареи 3 образуют рабочую поверхность столика, на которую
помещается подлежащий охлаждению блок ткани. Система горя-
горячих и холодных коммутационных пластин вместе с полупровод-
172

никами заливается в эпоксидную смолу. Термоэлектрическая
батарея приклеивается на основание столика 4, изготовленного
из алюминия и снабженного системой воздушных радиаторов 5.
Основание столика электрохимическим путем покрывается
тонким слоем окиси алюминия, который обеспечивает хороший
тепловой контакт термобатареи со столиком и является электри-
электрическим изолятором, исключающим замыкание между горячими
коммутационными пластинами
термобатареи.
Измерения паразитных тепло-
вых перепадов на электроизоля-
электроизоляционном слое окиси алюминия по-
показали, что при тепловых потоках,
соответствующих рабочему ре-
режиму термобатареи, они не пре-
превышают 2—3°. Питание термоба-
термобатареи столика осуществляется
посредством двух токопроводов 6,
подключенных к коммутационным
пластинам термобатареи и к
клеммной колодке 7. Суммарная
площадь радиаторных пластин
столика равна 500 см2.
При естественном конвекцион-
конвекционном теплообмене с окружающим
воздухом радиатор такой площади
может обеспечивать температуру
на горячих спаях термобатареи в
25° (при температуре окружающе-
окружающего воздуха 20°). При перепаде
температур, создаваемом термобатареей, в 30° на рабочей поверх-
поверхности столика может быть обеспечена температура до —5°. Од-
Однако при более высокой температуре окружающего воздуха сто-
столик не обеспечивает требуемой рабочей температуры.
В связи с этим была разработана другая конструкция микро-
микротомного столика с термоэлектрическим охлаждением, снабжен-
снабженного комбинированной воэдушно-жидкостной системой отвода
тепла. Отличие этой конструкции от описанной выше заключается
в том, что в алюминиевой йлате основания столика сделан П-образ-
ный канал для прохождения воды, подача и слив которой произво-
производится через два штуцера. В том случае, когда температура окру-
окружающего воздуха не превышает 20°, отвод тепла от столика осу-
осуществляется системой воздушных радиаторов. При температуре,
превышающей 20°, что имеет место в южных районах страны,
к столику должна быть подключена вода.
В описанных конструкциях микротомных столиков рабочая
поверхность, образованная холодными коммутационными пла-
8
Рис. 99. Разрез микротомного
столика большой площади с жид-
жидкостным теплосъемом.
173

стинами термобатареи, была равна 240 мм2, что вполне отвечает
требовалиям гистологической и цитологической практики. Однако
при патологоанатомических исследованиях часто требуется полу-
Рис. 100. Промышленный образец микротомного сто-
стоянка, установленного на микротоме. На заднем пла-
плане — выпрямитель для питания столика.
чить срезы большой площади. Для этих целей был сконструирован
микротомный столик с рабочей поверхностью охлаждения, рав-
равной 1600 мм2 D0x40 мм).
В этой конструкции (рис. 99) термоэлектрическая батарея
состоит из пяти термоэлементов 1; съем тепла с них осуществляется
проточной водой, подача и слив которой осуществляется через
штуцера 2. Горячие коммутационные пластины термобатареи 3
174

изготовлены из латуни и имеют в своем теле каналы для прохо-
прохождения воды. Холодные коммутационные пластины 4 образуют
рабочую поверхность столика. Для закрепления столика на микро-
микротоме служит штифт 5, переходящий в основание 6, на котором смон-
смонтирована термобатарея. Все элементы столика залиты в эпоксид-
эпоксидную смолу 7. Электрическое питание столика осуществляется через
две клеммы 8, закрепленные на штуцерах водяного охлаждения.
Все три конструктивных варианта микротомных столиков
с термоэлектрическим охлаждением имеют посадочные места,
согласованные с выпускаемыми промышленностью микротомами,
благодаря чему установка столика на микротом может быть осу-
осуществлена эа 1—2 мин.
Регулировка степени охлаждения блока ткани, помещенной
на микротомном столике, производится в широких пределах из-
изменением величины питающего столик тока. При испытаниях сто-
столиков через 1—3 мин. получались срезы мозговой ткани толщи-
толщиной 4—6 мк.
На рис. 100 изображен термоэлектрический микротомный сто-
столик с жидкостным съемом тепла, установленный на микротоме.
Основные технические характеристики описанных столиков
приведены в табл. 21.
Таблица 21
Основные данные микротомных стеликов
с термоэлектрическим охлаждением
Параметры
Рабочая площадь, мм2
Максимальное охлаждение ....
Оптимальный ток, а
Оптимальное напряжение, в ...
Потребляемая мощность, вт ...
Время установления минимальной
температуры, мин
Расход воды, л/мин
Габариты, мм
Вес, г
Тип столика
с воздушным
съемом тепла
240
_7 — —5°
12
0.3
3.6
3
110X72X84
650
с воздушно-
жидкостным
съемом тепла
240
—10 ч 5°
12
0.3
3.6
3
0.5
15X72X84
580
с жидкост-
жидкостным съе-
съемом тепла
1600
—20°
30
0.4
12
2
0.5
0=70, й=22
340
§ 5. ХОЛОДИЛЬНИК ДЛЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ
ХИРУРГИИ
При проведении пластических операций, особенно
в области лица, часто имеют место случаи отмирания блока пере-
пересаживаемой ткани. Причиной этого является недостаточное коли-
количество крови для питания пересаживаемой ткани от организма
175

больного. Как правило, при проведении пластических операций
в области лица промежуточное приживление пересаживаемого
блока ткани производят в плечевой области руки.
Для предотвращения отмирания пересаживаемого блока ткани
необходимо понизить потребление им питательных веществ
(крови). Это достигается охлаждением блока до температуры
15—25°, т. е. на 20—15° ниже нормальной температуры тела.
Если учесть, что воздействие холодом должно продолжаться не-
непрерывно довольно длительное время (от нескольких недель до
нескольких месяцев), станет очевидным, что использование ранее
Рис. 101. Разрез холодильника для пластической
хирургии.
известных методов охлаждения и, в частности, периодически
действующих хладоагентов не годится для указанной цели. Кроме
того, весьма желательно, чтобы больной не был на протяжении
всего периода лечения прикован к постели, а имел возможность
самостоятельно передвигаться.
Сконструированный для указанной цели миниатюрный термо-
термоэлектрический холодильник удовлетворяет всем перечисленным
выше условиям. Имея незначительный вес и небольшие размеры,
холодильник может быть расположен непосредственно на лице
больного, не причиняя ему значительных неудобств. Поверхности
охлаждения выполнены из листового свинца, что позволяет их
легко деформировать, для того чтобы они наиболее удобно охва-
охватили подлежащий охлаждению блок пересаживаемой ткани.
Питание холодильника осуществляется от специального вы-
выпрямителя, соединяемого с холодильником длинным комбиниро-
комбинированным тоководоподводом. Такая система соединения холодиль-
холодильника с источником питания и водой для теплосъема не связывает
больного, обеспечивая ему довольно большую свободу в движениях.
176

Регулировка степени охлаждения осуществляется изменением
величины питающего холодильник тока. В случае необходимости
поддержание и изменение температуры холодильника может
производиться по любой заданной программе, для чего на входе
выпрямителя необходимо подключить простое программирующее
устройство.
Разрез термоэлектрического холодильника для пластических
операций приведен на рис. 101.
Два ■ красномедных полуцилиндра 1 и 2, в которых имеются
каналы 3 для воды, образуют основание прибора, на котором при-
Рис. 102. Общий вид холодильника для пластической
хирургии.
паяны два полупроводника 4 и 5. Полуцилиндры изолированы
друг от друга текстолитовой прокладкой 6 и залиты в белую деко-
декоративную эпоксидную смолу 7, благодаря которой образуется еди-
единый, конструктивно законченный узел. Сверху термоэлемент
скоммутирован красномедным диском 15 диаметром 22 мм, являю-
являющимся коллектором холодного спая. Для придания холодильнику
максимальной универсальности узел охлаждающих поверхностей
сделан сменным и, как указывалось выше, изготовлен из свинца.
Тепловой контакт между холодным спаем термоэлемента и уэлом
охлаждающих поверхностей осуществляется путем плотного при-
прижима к нему посредством пластмассовой накидной гайки 10 де-
детали 8. К последней припаяны свинцовые поверхности 9. Электри-
Электрическое питание термоэлемента осуществляется через две токоведу-
щие шины 11 и 12, которые заключены в резиновый шланг 13,
по которому одновременно поступает вода для снятия тепла с горя-
горячих спаев термоэлемента. Кольцо из дюралюминия 14 служит
для закрепления холодильника на больном посредством ремешков
либо бинтов.
Паспортные данные холодильника приведены ниже.
Рабочий ток (при котором происходит охлажде-
охлаждение блока ткани до 10—15°) 40 а
12 Е. А. Коленко 177

Падение напряжения 0.05 в
Потребляемая холодильником мощность постоян-
постоянного тока 2 вт
Потребляемая мощность от сети переменного тока 100 вт
Длина шлангов, соединяющих прибор с источ-
источником питания до 2 м
Вес холодильника вместе с поверхностями охлаж-
охлаждения 200 г
Габариты прибора (без узла поверхностей охлаж-
охлаждения): <
диаметр . 40 мы
высота 25 мм
Общий вид холодильника изображен на рис. 102.

Глава XIII
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
§ 1. МИКРОТЕРМОСТАТ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ
УСТРОЙСТВ
В современной радиоэлектронной аппаратуре исполь-
используется ряд элементов, стабильность работы которых в значитель-
значительной степени зависит от температуры. К таким элементам относят
германиевые кристаллические диоды и триоды, стабилизирующий
частоту кварц, фотосопротивления, некоторые специальные высоко-
высокостабильные сопротивления, конденсаторы и др.
Согласно современным требованиям эксплуатации, предъяв-
предъявляемым к подобным приборам, внешняя температура может
изменяться в пределах от —60 до +60°. Кроме того, необходи-
необходимость создания компактной, малогабаритной радиоэлектронной
аппаратуры приводит к весьма значительному повышению тем-
температуры внутри отдельных блоков, достигающей подчас 100° и
более.
Широкое использование радиоэлектронных устройств в совре-
современной технике требует максимальной их надежности в различных
условиях эксплуатации.
Перечисленные выше элементы при столь значительном изме-
изменении температуры начинают работать нестабильно, что в конеч-
конечном результате приводит к выходу иэ строя всей аппаратуры.
В наибольшей степени это относится к германиевым диодам и трио-
триодам, которые при температурах, превышающих 40—50°, начи-
начинают работать весьма неустойчиво.
Обычные методы понижения температуры — использование
компрессионных или абсорбционных холодильных машин, при-
применение охлаждающих смесей (жидкий азот, твердая углекислота,
лед) — из-за ряда эксплуатационных неудобств не могут быть
использованы для указанной цели. Так, например, применение
холодильных машин, работающих на компрессионном или аб-
абсорбционном принципе, целесообразно только для понижения
температуры в значительных объемах при выделяющейся в этих
объемах тепловой мощности, исчисляемой десятками и сотнями
ватт. В этом случае холодильная машина работает с высоким холо-
12* 179

дильным коэффициентом. При работе холодильной машины с хо-
лодопроизводительностью менее 20 вт ее холодильный коэффи-
коэффициент падает до 10—20%.
Кроме чисто теплотехнических соображений, использовании
холодильных машин для понижения температуры небольших
объемов невыгодно также и по той причине, что любая наиболее
компактная машина занимает относительно большой объем, имеет
вес не менее 30 кг и требует для своего питания значительного
расхода электроэнергии. Применение для указанных целей раз-
различных охлаждающих сред
§ требует периодического их
пополнения, что недопустимо
по условиям эксплуатации.
Термоэлектрический метод
охлаждения позволяет осу-
осуществлять понижение темпе-
температуры в малом объеме при
незначительных габаритах и
весе всего устройства. В слу-
случае необходимости темпера-
температура, обеспечиваемая термо-
термоэлектрическим охлаждающим
прибором, посредством спе-
специальной схемы может быть
стабилизирована на требуе-
требуемом уровне с большой точно-
точностью. Так, например, термо-
термоэлектрический микротермо-
микротермостат обеспечивает поддержа-
поддержание температуры помещае-
помещаемых в нем объектов на уровне
30 ±0.1° при изменении
внешней температуры от
-50 до +70°.
Наиболее эффективно термоэлектрические охлаждающие
устройства работают при малых тепловых мощностях, выделяе-
выделяемых в охлаждаемом объеме. Реальные конструкции термостатоп
способны обеспечить расчетный перепад температур при тепловой
нагрузке, не превышающей 5—10 вт. При больших тепловых
мощностях, выделяемых в охлаждаемом объеме, снижается эф-
эффективность охлаждения.
В зависимости от конкретных условий применяемые термо-
термоэлектрические микрохолодильники могут быть выполнены в раз-
различных конструктивных вариантах. Ниже приводится описание
конструкции одного из типов термоэлектрических микрохоло-
микрохолодильников, предназначенного для понижения рабочей темпера-
температуры германиевых триодов и стабилизирующего частоту кварца.
180
ШШЩШШЯг
Рис. 103. Разрез микротермостата для
радиоэлектронных устройств.

Рабочий объем холодильника (рис. 103) представляет собой
алюминиевый стакан 1, который с хорошим тепловым контактом
сопрягается с холодными спаями термоэлектрической батареи 2.
Для исключения электрического контакта между цилиндром и ба-
батареей торцовая поверхность алюминиевого стакана электро-
электрохимическим способом покрывается тонким слоем окиси алюминия,
который обладает хорошей теплопроводностью и высоким сопро-
сопротивлением.
Для уменьшения теплопритока извне стакан 1 защищеп
слоем теплоизоляции из пенопласта 3. Снаружи микрохолодиль-
микрохолодильник окружен внешним стаканом 4. Для подключения к схеме
находящихся внутри термостата объектов на верхней съемной
крышке 5 расположены проходные стеклянные изоляторы 6.
Теплоотвод от горячей стороны термобатареи осуществляется
через оксидированную с одной стороны алюминиевую плату 7,
которая при монтаже термостата плотно прижимается к шасси
аппаратуры. Термоэлектрическая батарея термостата состоит
из 18 последовательно соединенных термоэлементов, которые после
заливки в эпоксидную смолу образуют единый узел.
Основные параметры описанного типа микротермостата сле-
следующие.
Питающий ток 8 а
Напряжение ". 1.2 в
Максимальный перепад температур:
при окружающей температуре 20° . . 30°
при окружающей температуре 50° . . 40°
Габариты:
высота 120 мм
диаметр 65 мм
полезный объем 75 см3
Вес 390 г
На рис. 104 изображен общий вид описанного микротермостата.
В приведенном выше конструктивном оформлении были раз-
разработаны микротермостаты с полезным объемом от 25 до 300 см3.
Как указывалось выше, холодопроизводительность термоэлектри-
термоэлектрических микрохолодильников невелика. В связи с этим требуется
произвести такую компановку аппаратуры, при которой в микро-
микрохолодильник должен быть помещен только требующий термоста-
тирования элемент, выделяющий тепловую мощность, не превы-
превышающую указанную величину.
В ряде случаев необходимо не только понизить температуру
того или иного объекта радиоэлектронного устройства, но и ста-
стабилизировать ее на требуемом уровне. Эта задача может быть ре-
решена различными методами, основанными на применении 1) жид-
жидкостных терморегуляторов, 2) контактных термометров, 3) биме-
биметаллических, терморегуляторов, 4) термопарных и термисторных
электронных регуляторов.

Первые три метода стабилизации температуры не могут быть
рекомендованы для термоэлектрических охлаждающих устройств
из-за недостаточной чувствительности, относительно больших га-
габаритов и значительной инерционности датчиков. Так, например,
Рис. 104. Общий вид микротермостата для ра-
радиоэлектронных устройств.
точность поддержания температуры, обеспечиваемая биметалли-
биметаллическим датчиком, равна 3—5°, что в ряде случаев является недо-
недостаточным.
Наиболее приемлемым для указанной цели является четвертый
метод, в котором в качестве датчиков температуры используются
малоинерционные термопары или термисторы. Этот метод в соче-
сочетании с довольно простой электронной схемой позволяет поддер-
поддерживать температуру в термостатируемом объеме с точностью +0.1°
и выше. Одна из возможных схем электронных регуляторов тем-
температуры приведена на рис. 105. Датчиками температуры являются
182

два микротермистора, включенных в мостовую схему, разбаланс
которой усиливается ламповым усилителем на субминиатюрных
лампах и попадает на реле, которое изменяет направление пи-
питающего термоэлектрическую батарею тока, переводя ее из ре-
режима охлаждения в режим нагрева. Габариты такого электрон-
электронного стабилизатора температуры 100x100x50 мм.
гтв
[f
Рис. 105. Принципиальная схема электронного стаби-
стабилизатора температуры.
Выполненный по подобной схеме электронный стабилизатор
обеспечивает поддержание температуры в рабочем объеме термо-
термоэлектрического микрохолодильника с точностью 0.1°. Дальней-
Дальнейшее уменьшение габаритов и веса стабилизатора возможно при
замене электронных ламп полупроводниковыми триодами и ис-
использовании магнитного усилителя.
§ 2. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УЛЬТРАТЕРМОСТЛТ
В современной радиоэлектронике, а также в лаборатор-
лабораторной практике часто требуется стабилизировать температуру с высо-
высокой степенью точности. Существующие конструкции ультратермо-
ультратермостатов по своим параметрам и условиям эксплуатации не всегда
отвечают практическим требованиям. Так, например, наиболее
распространенный ультратермостат Геплера имеет следующие
1S3

ВоздеИстВае
окружающей среды
педостатки: электродвигатель создает помехи и вибрацию при-
прибора; используемый теплоноситель — вода — вызывает коррозию
внутренних частей термостата; контактный термометр не обеспе-
обеспечивает требуемой надежности работы. Все эти факторы снижают
эксплуатационные возможности прибора.
Электронный ультратермостат с термоэлектрическим охла-
охлаждением свободен от перечисленных выше недостатков. Отсутствие
в приборе движущихся частей и вызывающих коррозию жидкостей,
плавность и непрерывность регулирования в сочетании с высокой
степенью стабилизации температуры обеспечивают высокие экс-
эксплуатационные качества прибора, позволяющие использовать
его в наиболее ответственных
радиоэлектронных устройст-
устройствах для стабилизации темпе-
температуры опорных элементов
Вестона, отдельных элемен-
элементов и узлов схем, а также
при проведении лаборатор-
лабораторных исследований.
Электронный ультратер-
ультратермостат поддерживает посто-
постоянную температуру B0 ±
0.01°) в объеме 6 л при из-
изменении температуры окру-
окружающей среды от 10 до 30°.
В камере термостата, не
содержащей каких-либо тер-
мостатируемых тел, стабиль-
Чубетбательный,
элемент
Регулируемый,
объект
Усилитель с
очбропреобразо-
бателем
Рис. 106. Блок-схема термоэлектриче-
термоэлектрического ультратермостата.
ная температура устанавливается в течение не более 10 мин. Если
в камеру поместить два нормальных элемента Вестона, стабиль-
стабильная температура в ней устанавливается через 2 часа. Термоэлек-
Термоэлектрический ультратермостат питается от сети напряжением 220 в
при потребляемой мощности 100 вт.
Принцип действия ультратермостата. Электронный ультра-
ультратермостат, блок-схема которого приведена на рис. 106, предста-
представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования
температуры. Он состоит из регулируемого объекта (термостата),
чувствительного элемента и электронного регулятора. Электрон-
Электронный регулятор состоит из усилителя с вибропреобразователем на
входе и исполнительного элемента (усилителя мощности).
В качестве чувствительного элемента, воспринимающего из-
изменение температуры в камере термостата, использован мост,
образованный двумя термосопротивлениями типа ММТ-1, после-
последовательно включенными в противоположные плечи моста, и
двумя манганиновыми сопротивлениями, включенными в два дру-
других плеча моста. Последовательное включение термосопротивлений
преследует цель уменьшить рассеиваемую мощность на каждом
J84

из них до величины ниже предельно допустимой @.01 вт при допу-
допустимой мощности 0.05 вт).
Мост питается от батареи, состоящей из шести элементов
1-КСУ-З с общим напряжением 9 в, и сбалансирован при темпера-
температуре 21°. При изменении температуры в камере термостата воз-
возникает разбаланс моста. Сигнал разбаланса поступает на вход
усилителя и после преобразования вибропреобразователем ВУ-5.3
в сигнал переменного тока с частотой 50 гц усиливается двумя
первыми каскадами усилителя на лампах 6Ж8. Усиленное пере-
переменное напряжение детектируется на втором контакте вибропре-
вибропреобразователя. Усилитель постоянного напряжения выполнен на
лампе 6Н9С по схеме катодной компенсации. Сигнал, полученный
на выходе усилителя, подается на усилитель мощности (катодно
связанный каскад на лампах 6ПЗС), питающий подогреватель
камеры термостата. Фаза управляющего сигнала такова, что си-
система, непрерывно компенсирует сигнал разбаланса моста. Броски
показаний гальванометров измерительных схем, которые наблю-
наблюдаются при использовании термостатов, работающих по принципу
позиционного регулирования, исключаются благодаря непрерыв-
непрерывности регулирования в этом приборе.
Для нормальной работы термостата необходимо охлаждение
рабочей камеры. В данном ультратермостате применяется термо-
термоэлектрическое охлаждение, исключающее неудобства, связанные
с использованием временно действующих охладителей. Полупро-
Полупроводниковая термобатарея питается от отдельного нестабилизиро-
ванного выпрямителя, размещенного в блоке электронного регу-
регулятора с выходным напряжением 3 в и рабочим током 4 а. Темпе-
Температура внутри холодной камеры понижается на 12° относительно
температуры окружающей среды. Максимально допустимый ток
через термобатарею 8 а. Отвод тепла от горячих спаев термобатареи
осуществляется системой воздушных радиаторов, расположенных
веерообразно вокруг нижней части термостата.
Конструкция ультратермостата. Конструктивно ультратер-
ультратермостат выполнен в виде двух отдельных блоков: термостата и
электронного регулятора, соединенных между собой кабелем со
штепсельными разъемами.
Блок термостата состоит из двух частей: холодильника и
камеры термостата. Термоэлектрическая часть прибора предста-
представляет собой теплоизолированную цилиндрическую камеру объе-
объемом 22 л, в нижней части которой на текстолитовом кольце смонти-
смонтирована термоэлектрическая батарея, состоящая из 72 последо-
последовательно соединенных термоэлементов. Горячие спаи термобатареи
снабжены системой радиаторов, обеспечивающей достаточный
теплоотвод в окружающую среду. Камера холодильника тепло-
теплоизолирована пенопластом толщиной 50 мм.
Холодные спаи термоэлементов снабжены системой красномед-
ных пластин, расположенных вертикально по всей внутренней бо-
18S

_ J
ковой поверхности рабочего объема, что создает достаточно хоро-
хороший теплообмен между термобатареей и воздухом внутри камеры.
Для ввода проводов от термостатируемых объектов и датчиков кон-
контроля стабильности температуры в крышке камеры имеется от-
отверстие, закрываемое пробкой из пенопласта. Термочувствитель-
Термочувствительный элемент — мост с термосопротивлениями — расположен
близко от стенки камеры. На
внешней поверхности камеры
термостата располагается трех-
секционная обмотка подогрева-
подогревателя. Мощность подогревателя
может изменяться до 15 вт, что
в сочетании с непрерывным ох-
охлаждением камеры позволяет
стабилизировать температуру,
не изменяя настройки датчика.
Электронный регулятор кон-
Рис. 107. Схема блока измерения структивно выделен в отдельный
температуры ультратермостата. блок. В этом блоке расположе-
расположены: стабилизирова ■ ■ " источ-
источник анодного напряжения 250 в, с током 5 ма; нестабилизирован-
ный источник питания усилителя мощности с напряжением 350 в
и током 100 ма; нестабилизированный источник питания термо-
термобатареи с напряжением 3 в и током 4 а; батарея питания термо-
термочувствительного моста. т-с
Схема измерения темпера- '
туры. На рис. 107 приведена
схема блока измерения темпе- гаоо
ратуры в камере термостата. В
камеру помещается нормальный
элемент Вестона III класса НЭ,
медный термометр сопротивле-
сопротивления ТС и образцовая катушка
ОКС-2. Термометр сопротйвле-
8 тс.
Рис. 108. Изменение температуры со
временем в рабочей камере термо-
термоэлектрического ультратермостата.
ния, образцовую катушку и
магазин КМС-6 включают последовательно в цепь батареи с на-
напряжением 1.5 в.
Изменение температуры в камере определяют косвенным
путем, измеряя потенциометром ППТН-1 изменение напряжения
на термометре сопротивления, при постоянном напряжении на
образцовой катушке. В начале измерения напряжение на термо-
термометре сопротивления и образцовой катушке устанавливают рав-
равным 18 мв. При последующих измерениях напряжение на образ-
образцовой катушке контролируют потенциометром ППТН-1 с погреш-
погрешностью до 0.0001 мв.
В качестве индикатора используют фотокомпенсационный
усилитель Ф-16 с чувствительностью 2 мкв на шкалу. При необ-
186

ходимости это напряжение подгоняют при помощи магазина
КМС-6. Подключение потенциометра ППТН-1 к образцовой
катушке ОКС-2 и термометру сопротивления ТС осуществляется
масляным переключателем МП.
При постоянном напряжении на образцовой катушке измене-
изменение напряжения на термометре сопротивления обусловливается
в основном изменением температуры в камере термостата. Изме-
Изменение температуры по изменению напряжения на термометре
сопротивления определяется по формуле
где Д77 — изменение температуры в камере; К — коэффициент
пропорциональности, равный в рассматриваемом случае 15;
AFxc — изменение напряжения на термометре сопротивления.
График изменения температуры во времени в рабочей камере,
построенный на основании экспериментальных данных, приведен
на рис. 108.
§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ХОЛОДИЛЬНИК
ДЛЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЯ
Коэффициент шума параметрического усилителя опре-
определяется так называемой шумовой температурой используемого
в усилителе диода и шумом резонаторной системы. Шумовая тем-
температура резонатора, как пра-
правило, не превышает 10% от об-
общего уровня шума усилителя.
Таким образом, основным ис
точником шумов в параметри-
параметрическом усилителе является диод.
На рис. 109 приведены за-
зависимости эффективной шумо-
шумовой температуры (Тш эфф) па-
параметрического усилителя от
температуры (t). Кривая 1 отно-
относится к диоду, изготовленному
из германия с концентрацией
примесей 1019; кривая 2 — к рИс. 109. Зависимость эффективной
диоду из кремния с концентра- шумовой температуры (Гш 8фф) пара-
цией примесей 1020. Из приве- метрического усилителя от тёмпера-
денных кривых видно, что шу- ТУРЫ Диода (t).
мовая температура может быть
уменьшена за счет понижения температуры диода. Условия экс-
эксплуатации параметрических усилителей, как правило, не позво-
позволяют применять для охлаждения диода компрессионных холо-
холодильных машин либо периодически действующих хладоагентов
(жидкий азот, твердая углекислота). В связи с этим был раз-
187

Рис. 110. Разрез термоэлектрического холодильника для параметрического усилителя.

работай образец термоэлектрического холодильника, который
обеспечил охлаждение диода в реальном резонаторе параметри-
параметрического усилителя до —53°.
Разрез термоэлектрического холодильника, установленного на
волноводном тракте резонатора параметрического усилителя,
приведен на рис. 110. Термоэлектрическая батарея, состоящая
из двух каскадов 1 и 2, через керамические теплопереходы 3
припаивается к тешгоотводящему основанию, выполненному в дне
корпуса 4. Теплосъем от термобатареи в данной конструкции
прибора производится проточной водой, которая подается через
Рис. 111. Общий вид термоэлектрического холодиль-
холодильника для параметрического усилителя, установлен-
установленного на волноводном тракте.
штуцера 5 и протекает в каналах 6. Коллектор холодного спая
термоэлемента второго каскада 7 в своей верхней части имеет
калиброванное углубление, в которое входит подлежащий охла-
охлаждению диод 8. Верхний вывод диода через специальный цанго-
цанговый колпачок соединяется с тонким проводником 9, который при-
припаивается к проходному изолятору 10. Электрический контакт
диода с волноводом резонатора 11 осуществляется через две тон-
тонкие шайбы 12 и 13. Эти шайбы препятствуют отбору тепла от
охлаждаемого диода на стенки волновода. Температура диода
измеряется микротермистором МКМТ-16 14, помещенным на
серебряной амальгаме в коллектор холодных спаев второго кас-
каскада термоэлектрической батареи. Вывода термистора для под-
подключения его к схеме сделаны на клеммную колодку 15, закреплен-
закрепленную на корпусе. Питание термобатареи осуществляется от источ-
источника постоянного^ока, подключаемого через две токовые шины 16.
Теплоизоляция термобатареи и диода в волноводе осуществ-
осуществляется пенопластом 17. Собственно холодильник крепится к вол-
новодному тракту резонатора посредством двух винтов 18. Смена
диода производится посредством снятия холодильника с волновода.
189

Основные параметры описанного термоэлектрического холо-
холодильника приводятся ниже.
Рабочий ток 60 а
Падение напряжения на термобатарее ... 0.5 в
Потребляемая мощность постоянного тока 30 вт
Температура на диоде (при температуре
воды в системе теплосъема 18° и окру-
окружающей температуре -J-200) ■—50°
Перепад температур обеспечиваемый при-
прибором 68°
Габариты холодильника (без резонатора) . . 50X66X46 мм
Вес холодильника без резонатора 725 г
Расход воды в системе теплосъема 60 л/час
Общий вид термоэлектрического холодильника для параметри-
параметрического усилителя приведен на рис. 111.
§ 4. ТЕРМОЗОНД
При производстве транзисторов и в лабораторной
практике необходимо иметь метод быстрого определения харак-
характера проводимости слитка кремния или германия, а также опре-
определения границы областей разной проводимости вдоль слитка.
Для подобного экспрессного способа определения знака прово-
проводимости обычно пользуются методом горячего зонда, на основе
которого сконструировано много приборов.
Сущность этого метода заключается в следующем: к испытуе-
испытуемому образцу в нужном месте прикасаются металлическим
острием — зондом, нагретым до температуры 40—50°. Милли-
Милливольтметр, включенный между зондом и испытуемым образцом,
покажет направление возникшей в цепи термоэлектродвижущей
силы, которая будет пропорциональна величине разности тем-
температур между горячим зондом и слитком, а полярность термо-
термоэлектродвижущей силы будет зависеть от характера проводи-
проводимости исследуемого объекта. Наряду с простотой и удобством
измерения метод горячего зонда обладает одним существенным
недостатком: при температуре зонда, близкой к температуре на-
начала собственной проводимости в полупроводнике, этот метод
дает ложные показания и оказывается непригодным.
В связи с этим возникла необходимость создать разность тем-
температур между зондом и слитком не за счет повышения темпера-
температуры зонда, а за счет ее понижения. Термоэлектрический метод
охлаждения позволил успешно решить эту задачу и создать при-
прибор, необходимый промышленности.
Этот прибор (рис. 112) представляет собой термоэлектриче-
термоэлектрическую пару 7 и 8, холодный коллектор которой 10 с острием на
конце является зондом с площадью основания 0.6 мм2» Снаружи
термопара с холодным Коллектором закрыта защитным колпач-
колпачком 9 из декоративной пластмассы. Съем тепла от горячих спаев
190

термоэлектрической пары 5 осуществляется системой радиато-
радиаторов 4 с естественным конвекционным отводом тепла.
Через радиаторную систему одновременно подается электро-
электропитание на термоэлемент, для чего блок радиатора состоит из
двух частей — А и Б, электроизолированных друг от друга.
Токоподводящие шины 1 и 2 присоединены к соответствующим
частям радиаторной системы. Для жесткого крепления двух
Рис. 112. Разрез термозонда.
частей радиаторной системы друг с другом служат стяжные
кольца 3 и 6. Холодный коллектор — зонд — имеет электрический
вывод для присоединения к измерительному прибору. При ра-
рабочем токе 20 а на острие зонда через 2 мин. после включения
устанавливается температура —17°. Падение напряжения на
приборе равно 0.07 в. Таким образом, потребляемая прибором
мощность от источника питания равна 1.4 вт.
Габариты прибора (диаметр в верхней части 40 мм, высота
161 мм) и его вес D70 г) позволяют без какого-либо напряжения
пользоваться им в течение длительного времени.

Глава XIV
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ
ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
§ 1. МИКРОХОЛОДИЛЬНИКИ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ
ЦЕЛЕЙ
В разнообразной практике лабораторных исследова-
исследований часто возникает необходимость проследить поведение образца
или ход процесса в широком интервале температур. В том случае,
если интервал, интересующий исследователя, простирается
в область температур ниже ком-
комнатной, проведение подобных экс-
экспериментов сопряжено с довольно
большими трудностями. Эти труд-
трудности обусловлены тем, что все
существующие методы понижения
температуры не позволяют про-
простыми . способами осуществить
плавную регулировку темпера-
температуры во всем рабочем интервале.
В силу этого обстоятельства на
практике приходится создавать
сложные, громоздкие терморегу-
лирующие устройства, которые,
однако, не всегда удовлетворяют
поставленным требованиям.
Термоэлектрический метод ох-
охлаждения и нагрева позволил
создать микрохолодильники, сво-
свободные от перечисленных выше
недостатков. Эти микрохолодиль-
микрохолодильники позволяют изменением величины питающего термоэлектри-
термоэлектрическую батарею тока с любой точностью и скоростью изменять
температуру в рабочей камере прибора. В случае необходимости
переход от режима охлаждения к режиму нагрева и наоборот
осуществляется переключением направления питающего микро-
микрохолодильник тока.
Разработано три конструктивных варианта микрохолодиль-
микрохолодильников для лабораторных целей. Первый вариант микрохолодиль-
6 5
Рис. 113. Разрез микрохолодиль-
микрохолодильника для лабораторных целей.
Первый конструктивный вариант.
192

ника (рис. 113) снабжен однокаскадной термоэлектрической ба-
батареей 6, состоящей из пяти термоэлементов. Холодные спаи термо-
термобатареи сопрягаются с хорошим тепловым контактом с алюминие-
алюминиевым диском 5, на который припаяна рабочая камера прибора 1,
изготовленная из алюминия.
Для исключения электрического замыкания коммутационных
пластин термоэлектрической батареи с дном рабочей камеры
последнее электрохимическим путем покрывается тонким @.5—
1.5 мк) слоем окиси алюминия. Этот слой создает незначитель-
незначительное тепловое сопротивление и в то же время обладает хоро-
хорошими электроизоляционными свойст-
свойствами. ■ ,„ __ ■- --
Съем тепла с термоэлектрической г^~~~~~~~^^
батареи осуществляется проточной
водой, которая протекает в каналах,
выполненных непосредственно в го-
горячих коммутационных пластинах
термобатареи. Подключение воды и
слива к прибору производится через
два штуцера 4. Для присоединения
электрического питания служат две ;
клеммы 3, припаянные к штуцерам » ,
водяного охлаждения. Система горя-
горячих коммутационных пластин зали-
заливается в термореактивный эпоксид- Рис. 114. Общий вид первого
ный компаунд 9, образуя "тем самым ваРианта микрохолодильника
j « 1 г j ^ для лабораторных целей.
жесткий, конструктивно законченный
узел. Снаружи рабочая камера при-
прибора защищена слоемтеплоизоляции 8, изготовленной из пено-
пенопласта. Для уменьшения тепловых потерь через боковой блок
теплоизоляции в последнем вырезаны узкие выточки 10. Алюми-
Алюминиевый цилиндр 7 образует наружную оболочку прибора.
Для доступа в рабочую камеру служит теплоизолированная
крышка 2.
В месте разъема крышки с камерой имеется защитное кольцо И
из декоративной пластмассы. Для осуществления постоянного
теплового контакта основания рабочей камеры с термобатареей
служит резиновое кольцо 12. Внешний чехол крепится к термо-
термобатарее фигурными винтами 13, которые одновременно являются
ножками прибора.
Как указывалось выше, величина максимального перепада
температур, обеспечиваемого термоэлектрическим охлаждающим
прибором, зависит от тепловой нагрузки на термобатарею, ко-
которая в свою очередь обусловлена тепловыделением подле-
подлежащих охлаждению объектов паразитными теплопритоками извне
через слой теплоизоляции и теплопроводностью ветвей термоэле-
термоэлементов.
13 Е. Л. Коленко 193

Приводим технические параметры описанного микрохоло-
микрохолодильника, общий вид которого изображен на рис. 114.
Объем камеры 75 см3
Минимальная температура в рабочей камере (при
температуре снимающей тепло воды 15°) . . . —30°
Максимальная температура в рабочей камере . . +50°
Рабочий ток в режиме максимального охлаждения 45 а
Рабочий ток в режиме максимального нагрева . . 10 а
Потребляемая мощность в режиме охлаждения . . 18 вт
Время установления минимальной температур'ы
в рабочей камере, наполненной глицерином . . 25 мии.
Расход воды 0.2 л/мин.
Габариты:
диаметр 85 мм
высота 130 мм
Вес • 540 г
Второй конструктивный вариант микрохолодильника для
лабораторных целей предназначен для получения более низких
10
Рис. 115. Разрез микрохолодильника для лабораторных
целей второго конструктивного варианта.
температур в рабочей камере прибора. Это достигается примене-
применением двух каскадной термоэлектрической батареи вместо одно-
каскадной, использованной в первом варианте прибора. Для обе-
194

so
ы
30
го
ю
ю a,
спечения достаточной холодопроизводительности на втором кас-
каскаде он питается последовательно с первым каскадом. Кроме
того, несколько увеличена толщина теплоизоляции рабочей
камеры прибора.
На рис. 115 представлен схематический разрез этого типа
микрохолодильника. Двухкаскадная термоэлектрическая батарея
с последовательным питанием каскадов 1 содержит в первом
каскаде десять термоэлементов и во втором каскаде — два термо-
термоэлемента. На холодные коллекторы „
второго каскада термобатареи через '
электроизолированные керамические те-
плопереходы припаян рабочий объем
прибора 3, что сводит к минимуму па-
паразитные тепловые сопротивления. Го-
Горячие спаи первого каскада термобата-
термобатареи опять же через керамические теп-
лопереходы припаяны к коллектору го-
горячих спаев 4, который в свою очередь
напаян на теплоотводящую систему 5.
Отвод тепла от термобатареи осущест-
осуществляется проточной водой, которая под-
подключается к прибору через два шту-
штуцера 6.
Электрическое питание прибора под-
подключается на две клеммы 7, установлен-
установленные на электроизолированном щитке 8.
Рабочий объем прибора защищен слоем
теплоизоляции 9 из пенопласта. Для
доступа в рабочую камеру служит крыш-
крышка 10. Для измерения температуры в
рабочей камере прибора служит микротермистор 11, заармирован-
ный в камеру рабочего объема посредством серебряной амаль-
амальгамы. Выводы термистора 12 сделаны на электроизолированном
щитке.
Термоэлектрическая батарея описанного микрохолодильника
обладает достаточно большой холодопроизводительностью, что
иллюстрируется рис. 116, на котором представлена эксперимен-
экспериментальная крива» изменения разности температур, обеспечиваемой
холодильником, в зависимости от тепловой мощности, выделяю-
выделяющейся в рабочей камере прибора.
Общий вид прибора приведен на рис. 117.
Термоэлектрический холодильник для лабораторных целей
третьего варианта представляет собой единый конструктивно
законченный прибор, в котором, кроме самого холодильника,
имеется выпрямитель, схема измерения температуры, а также
элементы автоматики и блокировки, обеспечивающие надежную»
э ксплуатацию прибора.
Рис. 116. Зависимость пе-
перепада температур, обеспе-
обеспечиваемого микрохолодиль-
микрохолодильником для лабораторных
целей второго конструктив-
конструктивного варианта, от величи-
величины тепловыделения в рабо-
рабочей камере.
13*

Основные параметры этого типа микрохолодильника следую-
следующие.
Оптимальный ток 50 а
Падение напряжения 1.64 в
Потребляемая мощность 82 вт
Минимальная температура в рабочей камере (при
температуре снимающей тепло воды 18°) .... ■—53°
Максимальная температура в рабочей камере . . . 55°
Объем рабочей камеры 125 см3
Габариты:
диаметр ....:... 120 мм
высота 160 мм
Вес 2.4 кг
Электрическая схема микрохолодильника приведена на
рис. 118.
Двухкаскадная термоэлектрическая батарея холодильника Тб
питается от двухполупериодного выпрямителя, состоящего из
силового трансформатора Тр и
германиевых вентилей ВГ-50-15
(Д! и Д2). Дроссель фильтра Др
служит для сглаживания пуль-
пульсации выпрямленного тока до
значения 5—7%. Переключа-
Переключатель П\ предназначен для пере-
переключения термобатареи из ре-
режима охлаждения в режим на-
нагрева. При этом на термобата-
термобатарею поступает ток обратной
полярности, снимаемый с поло-
половины вторичной обмотки сило-
силового трансформатора и выпрям-
выпрямленного диодом ВГ-10-15 Д3.
Сопротивление R1 служит для
ограничения тока нагрева. Из-
"~ мерение температуры микрохо-
Рис. 117. Общий вид микрохолодиль- лодильника производится по-
ника для лабораторных целей вто- средством микротермистора i?2,
рого конструктивного варианта. закрепленного серебряной ам-
амальгамой в стенке цилиндра,
образующего рабочий объем прибора.
Схема измерения температуры состоит из моста, в плечах
которого находятся сопротивления R3, i?4> ^5> ^в> ^8 и ^в* Со-
Сопротивление i?2. включенное в -измерительное плечо моста, яв-
является микротермистором. Питание моста производится от ба-
батареи Б, которая подключается к мосту выключателем Вк3. Тре-
Требуемая для питания моста величина напряжения устанавливается
сопротивлением R7. Переключатель Я2 служит для переключе-
переключения моста в режим калибровки, которая производится посред-
196

ством сопротивления JRe. В качестве измерительного прибора М
использован микроамперметр М-24, включенный в диагональ
Рис. 118. Электрическая схема микрохолодильника для ла-
лабораторных целей третьего варианта.
Рис. 119. Общий вид микрохолодильника для лабора-
лабораторных целей третьего конструктивного варианта*
моста. Шкала прибора проградуирована в градусах Цельсия.
Питание прибора осуществляется от сети напряжением 127/220 в
197

через плавкие предохранители /7рги/7р2. Выключатель Bkx слу-
служит для подключения сетевого напряжения. В цепь водяного
теплосъема от горячих спаев термобатареи включено гидрореле
Гк—Вк2, которое отключает питание микрохолодильника при
отсутствии воды в системе теплосъема.
Приводим краткую техническую характеристику микрохоло-
микрохолодильника.
Оптимальный ток в режиме охлаждения ... 50 а
Падение напряжения в режиме охлаждения 1.64 в
Потребляемая мощность в режиме охлаждения 82 вт
Минимальная температура в рабочей камере
(при температуре воды в системе теплосъе-
теплосъема 15°) —50°
Оптимальный ток в режиме нагрева 6 а
Падение напряжения в режиме нагрева ... 0.2 в
Потребляемая мощность в режиме нагрева . . 1.2 вт
Максимальная температура в режиме нагрева 50°
Рабочий объем камеры 75 см3
Габариты 250X250X160 мм
Вес 5 кг
Общий вид микрохолодильника третьего конструктивного
варианта приведен на рис. 119.
§ 2. ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МИКРОКАМЕРЫ
В ряде отраслей техники для проверки изделий на
работоспособность в диапазоне рабочих температур используются
термокамеры. Понижение температуры в этих камерах произво-
производится посредством компрессионных холодильных машин, а обо-
обогрев — электрическими нагревателями. По существующим нор-
нормам испытательные камеры должны обеспечивать температуры
от —60 до +60°. Использование компрессионных термокамер на
практике сопряжено с рядом неудобств, основными из которых
являются: относительно большое энергопотребление, большие
габариты и вес, длительное время разгона до рабочего режима и
ряд других. Особенно существенным недостатком является боль-
большие рабочие объемы камеры, исчисляемые сотнями и тысячами
литров. В то же время очень часто подлежащие испытаниям изде-
изделия имеют объем всего лишь несколько кубических сантиметров.
Кроме того, часто требуется провести термические испытания при
одновременном воздействии на. изделие вибрационных, нагрузок
и ускорений. В термокамерах, охлаждаемых фреоновыми компрес-
компрессорами, подобные испытания производить нельзя. В связи с изло-
изложенным были разработаны два конструктивных варианта испы-
испытательных термоэлектрических камер небольшого объема.
Первый вариант камеры конструктивно оформлен в виде прямо-
прямоугольного параллелепипеда, стенки и дно которого образуют
198

двухкаскадные термобатареи с последовательным питанием. Тепло-
съем от горячих спаев термобатарей осуществляется проточной
водой, проходящей в каналах, выполненных в дюралюминиевых
панелях, на которых смонтированы термобатареи. Каналы для
воды расположены таким образом, что после сборки прибора они
образуют единую последовательно соединяемую водяную си-
систему. Как указывалось выше (ч. II, гл. VI, § 6), такая система
расположения термобатарей в значительной степени уменьшает
Рис. 120. Общпй вид испытательной термоэлектрической ми-
крокаыеры первого варианта.
паразитные теплопритоки внутрь камеры извне. Это же обстоя-
обстоятельство исключает применение внешней теплоизоляции. Систе-
Системой специальных перемычек все пять термобатарей соединяются
последовательно. Общее количество термоэлементов и режим их
питания обеспечивают достаточную холодопроизводительность
камеры. Пространство между коммутационными пластинами II кас-
каскада термобатарей образует рабочий объем прибора. Если боко-
боковые стенки рабочего объема образованы отдельными коммута-
коммутационными пластинами II каскада термобатарей, то дно рабочей
камеры состоит из сплошной металлической пластины, припаян-
припаянной к коллекторам холодных спаев вторых каскадов нижней термо-
термобатареи.
Для максимального снижения механических напряжений,
возникающих в нижней термобатарее, эта пластина изготовлена
из материала с небольшим коэффициентом термического расшире-
расширения (инвара). Для уменьшения теплообмена между первым и
199-

вторым каскадами термобатарей между ними помещена тепло-
теплоизоляция из пенопласта. Доступ в рабочую камеру прибора
осуществляется через съемную верхнюю крышку, снабженную
теплоизоляционным слоем пенопласта. Через специальный штеп-
штепсельный разъем внутрь камеры могут быть заведены 12 проводов
для проведения испытаний расположенного в камере изделия
в динамическом режиме. Шины электрического питания термо-
термобатарей камеры, а также штуцера подачи и слива воды в систему
теплосъема выведены на передней боковой стенке прибора.
Краткая характеристика испытательной камеры следующая.
Рабочий ток в режиме охлаждения ... 45 а
Падение напряжения в режиме охлаждения 11 в
Потребляемая мощность в режиме охлаждения 495 вт
Минимальная температура в рабочем объеме
(при температуре воды в системе теплосъе-
теплосъема 20°) —40°
Рабочий ток в режиме нагрева до 40° . . . . 16 а
Падение напряжения в режиме нагрева .... 3.5 в
Потребляемая мощность в режиме нагрева . . 56 вт
Время выхода в режим охлаждения 2.5 часа
Время выхода в режим нагрева 1.5 часа
Расход воды в системе теплосъема 75 л/час
Объем рабочей камеры 1008 см3
Размеры рабочей камеры 160X90X70 мм
Габариты 255X174X175 мм
Вес 13.1 кг
Рабочий диапазон статических перегрузок до 50 g
микрокамеры
Общий вид термоэлектрической испытательной камеры первого
конструктивного варианта приведена на рис. 120.
Второй вариант термоэлектрической испытательной камеры
оформлен в виде единого прибора с выпрямителем и схемой
автоматической установки температуры.
На рабочую камеру прибора, изготовленную из 2-миллиметро-
2-миллиметровой меди, с четырех боковых сторон и дна припаяны двухкаскад-
ные термобатареи с последовательным питанием каскадов. Такое
расположение термобатарей позволило создать систему с дос-
достаточно большой холодопроизводительностью. Все пять термо-
термобатарей соединены последовательно. Жидкостные системы тепло-
теплосъема отдельных батарей также соединены последовательно.
В отличие от первого варианта термокамеры, где нагрев и охла-
охлаждение производились переключением направления питающего
термобатарею тока, во втором варианте режим нагрева обеспечи-
обеспечивается специальным электронагревателем, расположенным на ра-
рабочей камере прибора.
Блок-схема электрической части прибора приведена на рис. 121.
Питание, термоэлектрических батарей и всех элементов автомати-
автоматического управления и регулирования осуществляется от выпря-
200

Блок
управления
нагреВатвмя
Нагребатель
\Вылрямитель
I питания
Термоэлектрический
холодильник
Усилитель
Индикатор
температуры
Термометр
сопротив-
сопротивления
блок
устаноЬки.
температуры
Рис. 121. Электрическая схема автоматической испытательной термо-
термоэлектрической камеры второго варианта.
Рис. 122. Общий вид автоматической термоэлектрической
камерьц

мителя. Питание термобатареи производится двухполупериод-
ным выпрямителем с шестью диодами Д-243 А в][качестве венти-
вентилей, включенных по 3 в каждое плечо. Платиновый термометр
сопротивления является датчиком температуры^для блока авто-
автоматической установки температуры, который в свою очередь
через усилитель и блок управления температурой нагревателя
меняет величину тока, питающего нагреватель, и соответственно
температуру в камере. Индикатор температуры, расположенный
на передней панели прибора, сигнализирует о ^гом, что заданная
температура установлена в рабочей камере прибора.
Установка величины температуры производится посредством
двух рукояток на передней панели, причем одной устанавливаются
десятки, а другой — единицы градуса. Точность поддержания
температуры обеспечивается в приборе автоматически. Доступ
в рабочую камеру прибора осуществляется через откидную тепло-
теплоизолированную крышку, через которую в случае необходимости
могут быть введены провода для испытаний изделий, располо-
расположенных в камере.
Приводим краткую характеристику термокамеры этого типа.
Рабочий ток 47 а
Падение напряжения 5 в
Потребляемая термобатареей мощность 235 вт
Минимальная температура в рабочем объеме (при
температуре воды в системе тегоюсъема 15°) —55°
Максимальная температура в рабочем объеме . . +60°
Точность автоматического поддержания темпера-
температуры ±0.2°
Объем рабочей камеры прибора 612 см3
Габариты рабочей камеры 125X70X70 мм
Потребляемая от сети мощность 375 вт
Расход воды в системе теилосъема 75 л/час
Габариты 400 X 375 X 210 мм
Вес 24 кг
Общий вид автоматической испытательной термокамеры при-
приведен на рис. 122.
§ 3. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАЦИОННЫЕ
ГИГРОМЕТРЫ
В промышленной и лабораторной практике часто воз-
возникает необходимость определения количества влаги в воздухе
или различных газах. Было предложено много приборов для изме-
измерения влажности, среди которых наибольшее распространение
получили психрометры, волосяные гигрометры и гигрометры,
основанные на измерении температуры точки росы. Измерение
влажности психрометром возможно лишь при положительных
температурах, а волосяные гигрометры обладают незначительной
точностью и малой надежностью измерений. Наиболее удовлетво-
202

ряют требованиям эксплуатации гигрометры,, основанные на
фиксации температуры образования конденсата — точки росы.
Гигрометры этого типа получили название конденсационных.
Зная температуру точки
росы, можно вычислить аб-
абсолютное содержание влаги
в исследуемом газе. Бесспор-
Бесспорным достоинством конденса-
конденсационных гигрометров явля-
является возможность автомати-
автоматизировать процесс измерения,
т. е. создать приборы непре-
непрерывного действия. Охлажде-
Охлаждение поверхности конденсации
в конденсационных гигромет-
гигрометрах осуществляется различ-
различными криостатическими сме-
смесями, твердой углекислотой,
жидким азотом или посред-
посредством дросселирования сжа-
сжатого газа.
Эти методы охлаждения
обладают рядом недостатков,
основным из которых' явля-
является необходимость периоди-
периодического пополнения хладо-
агента, что резко снижает
эксплуатационные возможно-
возможности прибора.
Использование термоэлек-
термоэлектрического метода охлажде-
охлаждения поверхности конденсации
позволило создать несколько
типов простых по конструк-
конструкции и надежных в эксплуа-
эксплуатации гигрометров.
Визуальный гигрометр.
Наиболее простым по кон-
конструкции является гигрометр,
в котором момент выпадения
росы фиксируется визуаль-
визуально по запотеванию рабочей поверхности прибора. По идее
этот прибор представляет собой гигрометр Лембрехта, у кото-
которого для охлаждения поверхности конденсации вместо эфира
применено термоэлектрическое охлаждение. Гигрометр представ-
представляет собой самостоятельный прибор, к которому только требуется
подключить питание от соответствующего выпрямителя. Основ-
Рнс. 123. Разрез визуального гигро-
гигрометра.
203

ным конструктивным элементом гигрометра (рис. 123) является
термоэлемент 1, к холодному спаю- которого припаян медный
диск 2, являющийся поверхностью конденсации. Для более
точного определения момента выпадения росы на поверхности
конденсации последняя окружена полированным эбонитовым
кольцом 3, вокруг которого располагается контрольная поверх-
поверхность сравнения 4.
Термоэлемент и блок конденсации закрыты, слоем теплоизо-
теплоизоляции 5, выполненной из пенопласта. Горячий спай термоэле-
термоэлемента припаян к коллектору 7, снабженному системой радиатор-
радиаторных пластин 6. Измерение температуры, при которой выпала роса,
производится по спиртовому термометру, который помещается
в канал 8. Головка прибора смонтирована в металлическом кор-
Ловерхность
конденсации.
По/шпроводни-
кооая батарея
Электромет-
Электрометрический,
мост
Магнит-
Магнитный, уси-
усилитель
Реле
Рис. 124. Блок-схема гигрометра периодического
действия.
пусе 9 и установлена на стойке 10. Термоэлектрическая пара гигро-
гигрометра позволяет понизить температуру поверхности конденса-
конденсации на 30° относительно температуры окружающего воздуха.
При рабочем токе 20 а потребляемая элементом мощность равна
2 вт.
Габаритные размеры гигрометра: диаметр 60 мм, высота 250 мм.
Вес прибора 1.5 кг.
Гигрометр периодического действия. В гигрометре этого
типа, блок-схема которого показана на рис. 124, точка росы фикси-
фиксируется по изменению поверхностной проводимости стекла, охла-
охлаждаемого термоэлектрической парой. Гигрометр имеет следующие
основные узлы: систему охлаждения, индикатор росы, электро-
электрометрический мост, двухкаскадный магнитный усилитель, выпря-
выпрямитель для питания моста, микротермисторы для измерения
температуры, вентилятор с заводным механизмом для прососа
испытуемого газа.
Система охлаждения содержит термоэлектрическую пару и
радиатор для отвода тепла с горячих спаев термоэлемента в окру-
окружающий воздух. С целью уменьшения температурного перепада
между горячим спаем термоэлемента и окружающим воздухом
площадь радиатора по сравнению с теоретическим расчетом
несколько увеличена и составляет 1000 см2. Это обеспечивает
204

уменьшение паразитного температурного перепада между радиа-
радиатором и окружающей средой на 2—З9. В стационарных условиях1
при оптимальном питающем токе 10 а и температуре окружающего
воздуха 20° на холодном спае через 50—60 сек. достигается тем-
температура —11°. При просасывании исследуемого газа тепловая
нагрузка на холодный спай увеличивается и уменьшается макси-
максимально достижимый перепад температур. При выбранной ско-
скорости потока воздуха 3 м/сек. на холодном спае устанавливается
температура —10°.
Индикатором росы служит стекло (ширина 2 мм, длина 5 мм,
толщина 0.2 мм), на которое катодным распылением нанесен слой
платины г и сделан разрыв шириной 10—30 мк. К серебряным
контактам, нанесенным вжиганием, припаяны сплавом Вуда
электроды для соединения пластинки с электрической схемой
гигрометра. Стекло с нанесенными слоями приклеено эпоксид-
эпоксидным клеем к холодному спаю термоэлемента. С целью теплоизоля-
теплоизоляции от окружающей среды полупроводниковая батарея и поверх-
поверхность конденсации закрыты теплоизоляционным чехлом. Испы-
Испытуемый газ засасывается через специальный штуцер.
Гигрометр питается от сети 220 в. Принцип действия электри-
электрической схемы прибора заключается в следующем: в результате
выпадения росы изменяется баланс электрометрического моста,
и сигнал в 30—40 мка поступает на магнитный усилитель; сиг-
сигнал разбаланса, усиленный до 24 ма, размыкает реле РКС, при
этом рвется цепь питания термоэлемента и происходит испарение
сконденсированной влаги. По исчезновении росы реле включает
термоэлемент и процесс повторяется. Температуру выпадения
росы измеряет термистор МТ-54, смонтированный непосредственно
под охлаждаемым стеклом. Температура окружающей среды
измеряется другим термистором, "помещенным в потоке исследуе-
исследуемого газа. Схема позволяет до начала измерений сбалансировать
электрометрический мост, а также установить требуемое напряже-
напряжение питания термисторов.
Следует отметить, что в зависимости от ширины разрыва слоя
платины, нанесенной на стекло, изменяется чувствительность
прибора. Оказалось, что при расстоянии между электродами
10 мк (сопротивление промежутка 1—1.5 Мом) прибор фиксирует
выпадение росы на несколько секунд- раньше, чем ее удается
заметить в микроскоп (X119). Было установлено, что чувстви-
чувствительность гигрометра в основном определяется временем сраба-
срабатывания усилителя в реле, поэтому применение пленок с очень
малым зазором в данной конструкции нецелесообразно. Цикл
1 Платина выбрана после того, как было выяснено, что слой серебра,
меди, палладия и ряда других металлов в процессе работы быстро раз-
разрушается, что, по-видимому, связано с малой механической прочностью
сцепления этих слоев со стеклом при действии па них капиллярных сил
конденсируемой влаги.
205

одного измерения (конденсация—испарение) занимает 20—
30 сек.
Испытания прибора показали, что температура точки росы
определяется с точностью +1°, разброс значений при измерении
не превышает 0.5°. Гигрометр позволяет измерять влажность
газов с температурой точки росы от +20 до —10°. Измерение
влажности более сухих газов ограничено тем обстоятельством
J
■к
Рис.'125. Общин вид гигрометра периодического дей-
действия.
что при этом конденсация влаги происходит в виде твердой фазы
и поверхностная проводимость стекла изменяется недостаточно
для получения необходимого сигнала.
Общий вид гигрометра периодического действия приведен
на рис. 125.
Гигрометр непрерывного действия. Автоматический гигро^
метр непрерывного действия основан на изменении отражатель-
отражательной способности зеркала при выпадении на нем росы.
В 1958 г. был разработан промышленный образец термо-
термоэлектрического конденсационного автоматического гигрометра
непрерывного действия, позволяющего измерять температуру
С20

точки росы воздуха или любых промышленных газов от +50
до —50°. Принципиальная блок-схема гигрометра изображена на
рис. 126. На холодном спае термоэлектрической батареи поме-
помещено зеркало 1, которое в процессе измерения обдувается струей
газа, влажность которого требуется определить. Зеркало осве-
освещается пучком света от осветителя 2, питаемого источником 3.
Отразившись от зеркала, свет попадает на фотосопротивление
ФС-К2 4. Электронная схема управления настроена таким обра-
образом, что при изменении количества света, падающего на фото-
фотосопротивление, что имеет место при выпадении на зеркале росы,
Рис. 126. Блок-схема гигрометра непрерывного дейст-
действия.
усилитель фототока 5 подает сигнал на регулирующее устрой-
стзо 6, которое имеет выход на электронный самописец 11 типа
ЭПП-09 и исполнительный механизм 7, посредством которого
может быть изменен режим увлажнения или осушки воздуха или
газа и включено соответствующее сигнальное устройство.
Температура, при которой на зеркале выпала роса, фикси-
фиксируется микротермистором 10, сигнал от которого поступает на
регулирующее устройство и самописец. После фиксации темпера-
температуры выпадения росы регулирующее устройство подает сигнал
на схему реверсирования тока 8, питающего термобатарею от
выпрямителя 9. Термобатарея переводится из режима охлаждения
в режим нагрева; роса, выпавшая на зеркале, испаряется, после
чего схема реверсирования подает на термобатарею ток прямой
полярности, и весь процесс повторяется. Гигрометр позволяет
автоматически производить измерение влажности со скоростью
30 циклов в час.
Как указывалось выше, гигрометр позволяет измерять влаж-
влажность вплоть до температуры точки росы —50°. Столь низкая
207

температура достигается благодаря использованию двухкаскад-
ной высокоэффективной термобатареи, разрез которой показан
на рис. 127.
Термоэлементы первого кас-
каскада 2 и 9 в количестве пяти
пар припаяны к системе отвода
тепла, состоящей из электри-
электрически изолированных друг от
друга шести латунных брусков
11, внутри которых имеются
каналы для прохождения воды,
подаваемой к термобатарее через
штуцера /. Система теплоотвода
залита в эпоксидную смолу 10,
благодаря чему образуется еди-
единый, конструктивно закончен-
Рис. 127. Разрез термобатареи ги- ный узел. Один термоэлемент
грометра непрерывного действия. второго каскада 4 припаян к
двойным коммутационным пла-
пластинам 6 и 8, склеенным между собой эпоксидным клеем. На
коллектор холодных спаев второго каскада 5 в дальнейшем при-
припаивается металлическое зеркало. Для уменьшения паразитных
теплопритоков термоэле-
термоэлементы закрыты слоем пе-
пенопласта 3 и защитным
плексигласовым колпаком
7'. Электрическое питание
термобатареи подключает-
подключается через две токоведу-
щие шины, закрепленные ,
на штуцерах водяного ох-
охлаждения. Описанная тер-
термоэлектрическая батарея ,
обладает значительной хо-
лодопроизводительностью * Р. -?
за счет последовательного . ."'",'
питания первого и второго
каскадов. Это достигается
соответствующим выбором
Конструкции Коммутаци- Рис. 128. Общин вид гигрометра непре-
ОННЫХ пластин, Количест- рывного действия (без блока питания и
ва и геометрии полупро- регулирования),
врдников и рядом других
факторов. Общий вид термоэлектрического гигрометра приведен
на рис. 128.
Основные паспортные данные гигрометра непрерывного дейст-
действия следующие.
208

Рабочий ток в режиме максимального охлаждения 60 а
Падение напряжения на термобатарее 0.4 в
Расход воды на термобатарею 50 л/час
Размер поверхности конденсации (зеркала) . . . 10 X 15 мм
Габариты основного узла прибора (без источника
питания и схемы автоматического регулиро-
регулирования):
высота 275 мм
диаметр 180 мм
13ес основного узла прибора 11 кг
В 1964 г. был разработан еще один вариант конденсационного
гигрометра непрерывного действия с термоэлектрическим охла-
охлаждением поверхности конденсации.2
В основу этого прибора был положен автоматический фото-
фотоэлектронный индикатор влажности ДДН-1, серийно выпускае-
выпускаемый промышленностью. В приборе ДДН-1 охлаждение поверх-
поверхности конденсации —• зеркала — осуществлялось посредством
дросселирования сжатого воздуха. Момент выпадения росы фикси-
фиксировался по изменению отражательной способности зеркала спе-
специальной фотоэлектронной схемой. При этом температура зер-
зеркала измерялась платиновым термометром сопротивления. Эксплу-
Эксплуатация прибора ДДН-1 сопряжена с рядом неудобств, основным
из которых является необходимость иметь воздух высокого дав-
давления (до 250 атм) для охлаждения поверхности конденсации.
В то же время основные узлы прибора — фотоэлектронный кон-
конденсатор и измеритель температуры обладают достаточной точ-
точностью и надежностью в работе. В связи с этим была разработана
конструкция термоэлектрического охладителя для прибора ДДН-1.
Конструктивно термоэлектрический охладитель был выполнен
таким образом, чтобы при минимальной переделке им можно было
заменить охладитель прибора ДДН-1.
Термоэлектрический охладитель собран на трехкаскадной
термобатарее с последовательным питанием всех каскадов. В пер-
первом каскаде термобатареи — 15 термоэлементов, во втором — 3,
в третьем — 1. Теплосъем с горячих спаев термобатареи осуще-
осуществляется проточной водой. Для питания термобатареи служит
двухполупериодный выпрямитель с вентилями ВГ-50-15.
Для сглаживания пульсации выпрямленного тока служит
дроссель фильтра. На шасси прибора ДДН-1 вместо некоторых
узлов и деталей, обеспечивающих охлаждение посредством дрос-
дросселирования сжатого воздуха, размещены термоэлектрический
охладитель и выпрямитель для его питания. На коллектор
холодного спая термоэлемента третьего каскада припаивается
хромированное зеркало, по изменению отражательной способности
которого судят о моменте выпадения росы. Поскольку прибор
предназначен для непрерывной работы, после каждого цикла
2 ii разработке прибора, кроме сотрудников ИПАН СССР, участво-
участвовал А. С. Кучеров.
14 Е. А. Коленко 209

охлаждения необходимо убрать выпавшую на зеркале росу. Это
обеспечивается нагревом зеркала до температуры 30—40°.
Нагрев зеркала можно было бы осуществить посредством пе-
переключения полярности питающего термобатарею тока, но это
приводило к нежелательным температурным раскачкам всей
батареи. В связи с этим на коллектор холодного спая термоэлемента
третьего каскада была намотана печка, которая включалась
автоматически при необходимости испарения выпавшей на зер-
зеркале росы. При этом термобатарея не выключалась, а положитель-
положительная температура на зеркале достигалась благодаря превалирова-
превалированию нагрева печкой над холодопроизводительностыо третьего
каскада термобатареи. На коллектор холодного спая термоэле-
термоэлемента третьего каскада намотан платиновый термометр сопротив-
сопротивления, являющийся датчиком для автоматической схемы измере-
измерения точки росы. При скорости обдува зеркала исследуемым газом
в 3 м/сек. температура зеркала может быть понижена до —70°-
Некоторые данные, характеризующие термоэлектрическую ба-
батарею охладителя для прибора ДДН-1, приведены ниже.
Рабочий ток 42 а
Падение напряжения 1.5 в
Потребляемая мощность 63 вт
Минимальная температура на поверхности
конденсации (при температуре воды в
системе теплосъема —J—18°) —70°
Перепад температур, обеспечиваемый тер-
термобатареей 88°
Расход воды в системе теплосъема .... 50 л/час
Диаметр поверхности конденсации (зеркала) 20 мм
Размеры термобатареи 120X55X60 мм
Вес 1.3 кг
§ 4. ПРИБОР ДЛЯ ТАРИРОВАНИЯ
ТЕРМОМЕТРОВ
Ртутные и спиртовые термометры перед выпуском с за-
завода-изготовителя в эксплуатацию проходят операцию тариро-
тарирования — сравнения показаний с показаниями эталонного термо-
термометра. Операция тарирования также производится в метрологи-
метрологических организациях при периодической поверке термометров,
находящихся в эксплуатации.
Если в области температур выше комнатной эта поверка не
представляет каких-либо трудностей, то создание температур от
комнатной до температур ниже 0° сопряжено с определенвыми
затруднениями. В подобных случаях обычно пользуются рядом
охлаждающих веществ, имеющих определенные, так называемые
криостатические температурные точки. В соответствующую смесь
помещают сравниваемый и эталонный термометры и на основании
этих показаний определяют ошибку термометра в том или ином
участке шкалы.
210

Однако описанный метод обладает рядом недостатков, основ-
основным из которых является дискретность температурных точек
сравнения. Если бы капилляры термометров по всей своей длине
имели строго одинаковый диаметр, методом экстраполяции от
точки к точке можно было бы получить значение температуры вдоль
всей шкалы термометра. Но в силу ряда технологических причин
диаметр капилляра не является постоянным, вследствие чего и
шкала термометра не может быть строго равномерной. Сравнение
термометров в отдельных тем-
температурных точках не дает
ответа на то, каковы будут
истинные показания в темпе-
температурном интервале между
этими точками.
Таким образом, возникла
настоятельная необходимость
в плавном изменении темпе-
температуры среды, в которой про-
производится тарирование. Ис-
Использование для этой цели хо-
холодильных машин связано с
трудностями в осуществлении
плавной регулировки. В свя-
связи с изложенным был разра-
разработан специальный термо-
термоэлектрический прибор (рис.
129), позволяющий изменять
температуру как в положи-
положительной, так и в отрицатель-
отрицательной областях. Величина и
точность изменения темпера-
температуры обусловлены величиной
питающего прибор тока.
Термоэлектрическая батарея этого прибора 1 своей холодной
стороной с хороший тепловым контактом сопрягается с внутрен-
внутренним стаканом 2, образующим рабочий объем прибора. Отвод тепла
с горячих спаев термоэлектрической батареи осуществляется
посредством системы охлаждения 3, в которой протекает вода,
подключаемая к прибору через штуцера 4. Снаружи внутренний
стакан окружен слоем теплоизоляции из пенопласта 5. Внешний
чехол 6 снабжен съемной крышкой с теплоизоляцией 7. Для луч-
лучшего теплообмена внутри рабочего объема прибора в последний
заливается смесь спирта с водой 8. Калибруемый и эталонный
термометры сквозь отверстия в верхней крышке 9 вводятся во
внутренний объем термостата. Плавное изменение температуры
внутри термостата осуществляется изменением величины питаю-
питающего термостат тока. В случае необходимости проведения тариро-
Рис. 129. Разрез прибора для тариро-
тарирования термометров.
14*
211

вания в области температур выше комнатной переключается на-
направление тока, питающего батарею, и рабочая жидкость заме-
заменяется маслом.
Термостат характеризуется следующими рабочими параметрами.
Максимальное снижение температуры в режиме
охлаждения (при температуре снимающей теп-
тепло воды 15°) 40°
Максимальный ток питания 25 а
Потребляемая мощность по постоянному току* . . 20 вт
Внутренний сбъем .*. . 75 см3
Максимальная положительная температура ... 50°
Габариты:
диаметр 65 мм
нысота "'. 120 Мм
Вес 450 г
В дальнейшем был разработан второй вариант термоэлектри-
термоэлектрического .прибора для тарирования термометров (рис. 130). Этот
прибор отличается от первого толь-
только конструктивным выполнением
водяной системы съема тепла с
~*?~'а" -,. термобатареи. Во втором варианте
^ прибора вода проходит по кана-
*""**"" лам, выполненным непосредствен-
непосредственно в горячих коммутационных пла-
пластинах термобатареи. Благодаря
этому сведены к минимуму пара-
паразитные тепловые перепады между
водой и горячими спаями термоба-
термобатареи и максимальный перепад
температур, создаваемый прибо-
прибором, повышен до 45°.
§ 5. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НУЛЬ-
ТЕРМОСТАТЫ
В промышленности и
лабораторной практике для из-
измерения температуры обычно ис-
используются дифференциальные ме-
металлические термопары. Как изве-
известно, дифференциальная термопа-
термопара имеет так называемый контроль-
контрольный спай, который должен, нахо-
находиться при постоянной температуре. Обычно для удобства от-
отсчета значений измеряемой температуры контрольные спаи
термопар помещаются в тающий лед, имеющий температуру 0°.
В ряде случаев применение тающего льда сопряжено с опре-
определенными эксплуатационными неудобствами, особенно при ис-
Рис. 130. Общий вид второго ва-
варианта прибора для тарирова-
тарирования термометров.
212

пользовании термопар в дистанционно управляемых системах.
В связи с этим разработано два конструктивных варианта термо-
термоэлектрических нуль-термостатов, которые обеспечивают автома-
автоматическое поддержание температуры на уровне 0°..
Рис. 131. Разрез нуль-термостата.
В первом типе нуль-термостата автоматическое поддержание
температуры внутри рабочей камеры прибора осуществляется
специальной схемой двухпозиционного регулирования, темпера-
температурным датчиком которой является малогабаритное ртутное реле.
Разрез этого типа нуль-термостата приведен на рис. 131.
Термоэлектрическая' батарея 5 состоит из четырех термоэлемен-
термоэлементов, к холодным спаям которых через двойные коммутационные
213

пластины 9 припаян подлежащий термостатированию блок 2.
Со стороны горячих спаев термоэлементов батарея через двойные
коммутационные пластины 10 припаяна к теплоотводящему осно-
основанию 7, снабженному системой радиаторных пластин 6, посред-
посредством которых осуществляется сброс тепла от термобатареи в окру-
окружающий воздух. В термостатируемом блоке 2, изготовленном из
меди, закреплены контрольные спаи термопар 3 и датчик темпера-
Рис. 132. Электрическая схема питания и регу-
регулирования нуль-термостата.
туры 4. Для уменьшения теплопритока к термостатирующему
блоку из окружающей среды последний защищен слоем теплоизо-
теплоизоляции 8. Снаружи чприбор заключен в металлический стакан 1,
снабженный крышкой, на которой имеется колодка с выведен-
выведенными контрольными концами термопар.
Прибор смонтирован на специальной подставке 11, снабжен-
снабженной клеммной колодкой 12, через которую к термостату подклю-
подключается выпрямитель. Выпрямитель для питания термоэлектриче-
термоэлектрической батареи термостата собран по двухполупериодной схеме
(рис. я132). Силовой трансформатор Трг может быть включен
в сеть 127/220 в. В качестве вентилей использованы силовые гер-
214

маниевые диоды Дг и Д2. Дроссель Др служит для сглаживания
пульсации постоянного тока, поступающего на питание термоба-
термобатареи. Цепь автоматического поддержания температуры включает
в себя трансформатор Трг, вентиль Д3, электролитический кон-
Рис. 133. Общий вид нуль-термостата с блоком питания и регулирования.
денсатор фильтра С, два реле Р ги Р2, которые по команде датчика
температуры подключают ток, питающий термобатарею. Сигналь-
Сигнальные лампочки СЛВ и СЛТ служат индикаторами того, в каком
режиме работает термобатарея — «нагрев» или «охлаждение».
Основные паспортные данные нуль-термостата приведены ниже.
Рабочий ток в режиме охлаждения 16 а
Падение напряжения на термобатарее в режи-
режиме охлаждения • 0.4 в
Рабочая температура на термостатируемом
блоке (при окружающей температуре
до 30°) 0+0.015°
Габариты:
диаметр 180 мм
высота 315 мм
Вес термрстата 3.5 кг
Габариты блока питания и регулирования:
высота 150 мм
ширина 150 мм
длина 300 мм
Вес блока питания п регулирования .... 6.8 кг
Общий вид нуль-термостата с блоком питания и регулирования
представлен на рис. 133.
215

В метрологической практике, а также при проведении ряда
лабораторных исследований часто возникает необходимость под-
поддерживать температуру 0° с гораздо большей степенью точности.
В связи с этим разработан прецизионный термоэлектрический
нуль-термостат, обеспечивающий поддержание нулевой темпера-
температуры с точностью +0.001°. Автоматическое поддержание темпера-
температуры на уровне 0° в этом приборе основано на изменении объема
воды при ее замерзании. Это изменение объему регистрируется
Рис. 134. Разрез прецизионного нуль-термостата.
высокочувствительным контактным реле, включенным в схему
управления, аналогичную схеме, приведенной на рис. 132.
Разрез прецизионного нуль-термостата показан на рис. 134.
Термоэлектрическая батарея, состоящая из восьми последова-
последовательно соединенных термоэлементов 4, со стороны горячих спаев
припаяна к теплоотводящей системе, в которую через штуцера 5
подаются вода и электропитание термобатареи. К холодным спаям
термобатареи через электроизолированные коммутационные пла-
пластины припаян медный цилиндр 3. Весь внутренний объем ци-
цилиндра заполнен дистиллированной водой. Подлежащие термо-
статированито контрольные спаи термопар 1 через специальное
уплотнение 2 вводятся внутрь цилиндра. Сильфон 6 герметично
закреплен на верхней крышке стакана 3. Внутри сильфона рас-
располагаются контакты реле 7, которые соединены со схемой упра-
управления приборов.
При работе термобатареи вода, находящаяся в цилиндре,
охлаждается и при достижении температуры 0° начинает замерзать
216

вблизи стенок цилиндра. При этом образовавшийся лед, имея
больший объем, создает давление на незамерзшую воду, которая
передает его на сильфон. Последний сжимается и замыкает кон-
контакты реле. Сигнал от реле подается на схему управления, п
последняя прекращает питание термобатареи. При отключенной
термобатарее теплоприток из окружающей среды и по ветвям
термоэлементов вызывает частичное оттаивание льда на стенках
цилиндра, что приводит к уменьшению объема и соответственно
давления-на сильфон. Сильфон размыкает контакты реле, и схема
управления включает питание термобатареи. Таким образом,
внутри цилиндра непрерывно поддерживается определенный объем
льда, количество которого определяется регулировкой контактов
реле в сильфоне. При наличии внутри цилиндра равновесного
состояния лед—вода внутри поддерживается температура 0°.
Для уменьшения паразитных теплопритоков извне рабочий объем
прибора сверху и сбоку теплоизолирован слоем пенопласта.
Основные паспортные данные прибора следующие.
Рабочий ток 16 а
Падение наиряжения на приборе .... 0.7 в'
Температура в рабочей камере 0+0.001°
Температура снимающей тепло воды . . 20—30°
Температура окружающего воздуха . . . 0—40°
Расход снимающей тепло воды 0.5 л/мин.
Габариты:
диаметр 100 мм
высота 120 мм
Вес 1.1 кг
§ 6. МИКРОСКОПНЫЕ ПРЕДМЕТНЫЕ СТОЛИКИ
С РЕГУЛИРУЕМОЙ ТЕМПЕРАТУРОЙ
При проведении микроскопических исследований часто
требуется проследить ход протекающего процесса или поведение
биологического объекта -в различных температурных условиях.
Существующие конструкции приборов, предназначенных для по-
подобных целей, как правило, позволяют создавать температуры
выше комнатной. Исследования при температурах ниже комнатной
практически -трудно осуществимы из-за сложности употребляемой
для этих целей аппаратуры, хотя область низких температур пред-
представляет в ряде случаев наибольший интерес. Для указанной выше
цели было разработано четыре конструктивных варианта микро-
микроскопных столиков.
На рис. 135 изображен термоэлектрический микроскопный
столик, предназначенный для исследования объектов в проходя-
проходящем свете в интервале температур от —7 до +60°. На пяти сектор-
секторных пластинах 5, образующих основание столика, смонтированы
четыре термоэлектрические пары 3, образующие термоэлектриче-
термоэлектрическую батарею в виде замкнутого четырехугольника. В середине
217

батареи имеется сквозное отверстие 6 для прохождения света от
осветителя микроскопа. В том случае, когда столик работает в ре-
режиме охлаждения, нижние
секторные пластины являют-
являются горячими радиаторами,
отводящими тепло от термо-
термоэлектрических пар на корпус
микроскопа и в окружающий
воздух. На холодные комму-
коммутационные пластины 2, лежа-
лежащие в одной плоскости, кла-
кладутся предметное и покров-
покровное стекла, между которыми
помещается подлежащий ис-
исследованию объект. Охлаж-
Охлаждение от верхних холодных
коммутационных пластин тер-
термоэлементов через стекло пе-
передается исследуемому объ-
объекту. Для придания столику
необходимой механической
прочности все его детали скре-
скреплены эпоксидной смолой 4.
Подключение питания к сто-
столику осуществляется через
две клеммы 1, соединенные
с двумя соответствующими
нижними коммутационными
пластинками. Потребляемая столиком мощность от источника
постоянного тока равна 2 вт при токе 14 а.
Габаритные размеры столи-
столика: высота'Ю мм, диаметр 70 мм. ? ■
Вес 160 г. Общий вид столика - л i
приведен на рис. 136. , ;
В ряде случаев необходимо "*
производить микроскопические - ,^
исследования при более глубо- " - ^
ком охлаждении наблюдаемых
объектов. [Микроскопный сто- «**с *
лик, обеспечивающий пониже-
понижение температуры помещенного
на нем объекта до —25°, изоб-
изображен на рис. 137.
В отличие от описанного вы-
выше столика, в котором съем теп-
тепла с горячих спаев термоэлементов осуществляется конвекционным
путем в окружающую среду и на массу микроскопа, конструкция
Рис. 135. Микроскопный столик для
проходящего .света с; естественным теп-
глосъемом.
Рис. 136. Общий вид микроскопного
столика с естественным теплосъемом.
218

этого столика предусматривает водяное охлаждение горячих
спаев термоэлементов. Каналы 6, по которым проходит охлаждаю-
охлаждающая вода, сделаны непосредственно в горячих коммутационных
пластинах 7, образующих основание столика. На трех пластинах
смонтировано два термоэлемента 4, холодные спаи которых соеди-
соединены двумя полукруглыми коммутационными пластинами 3 со
Рис. 137. Микроскопный столик для проходя-
проходящего света с жидкостным теплосъемом.
сквозным отверстием 8 в середине для проходящего света от осве-
осветителя микроскопа. На верхние коммутационные пластины поме-
помещается предметное стекло с расположенным на нем исследуемым
объектом.
Подключение питания осуществляется через клеммы 1, на
которых расположены штуцера 2 для поступления и отвода воды.
Отдельные элементы столика механически скреплены эпоксидной
смолой 5. При токе 20 а потребляемая мощность равна 3 вт. Рас-
Расход воды составляет 250 см3/мин. Габаритные размеры столика:
диаметр 50 мм, высота — 15 мм. Вес 110 г.
Общий вид столика этого типа приведен на рис. 138.
В 1964 г. был разработан второй конструктивный вариант
микроскопного столика для проходящего света с жидкостным тепло-
219

съемом. В отличие от первого варианта в этом приборе более чем
в два раза уменьшена рабочая высота, т. е. высота между плоско-
плоскостью расположения объекта и ос-
основанием столика. Это позволяет
производить исследования при
больших увеличениях, чем на сто-
столике первого варианта. Кроме то-
того, конструкция^ столика позво-
позволяет герметизировать область рас-
расположения предметного стекла с
охлаждаемым объектом, что ис-
исключает запотевание последнего.
Для измерения температуры на
холодном спае смонтирован микро-
термистор. На рис. 139 приведен
разрез этого варианта столика.
Основание 1, изготовленное из меди, состоит из двух изоли-
изолированных друг от друга полуцилиндров 2 и 3. На выточке осно-
Рис. 138. Общий вид микроскоп-
микроскопного столика для проходящего
света с жидкостным теплосъемом.
У
Рис. 139. Разрез микроскопного столика третьего вари-
варианта для проходящего света с жидкостным теплосъемом.
яания смонтированы полупроводники 4, образующие термоэлемент.
Для придания конструкции механической прочности каждая
ветвь термоэлемента состоит из двух параллельно соединенных
220

полупроводников. Коллектор холодных спаев 5 представляет
собой хромированный медный диск с отверстием, на который поме-
помещается предметное стекло 6 с расположенным на нем исследуемым
объектом. Теплосъем с горячих спаев термоэлемента осуще-
осуществляется проточной водой, протекающей в кольцевом канале 7,
сделанном в основании. Подача и слив воды осуществляется через
два штуцера 8. Подключение питающего столик тока производится
через клеммы 9, расположенные на двух частях основания. Для
Рис. 140. Общий вид микроскопного
столика для проходящего света треть-
третьего варианта.
измерения температуры коллектора холодных спаев служит
микротермистор МКМТ-16 10, выводы которого подведены к двум
винтам 11.
Для герметизации внутреннего объема столика с целью пред-
предотвращения запотевания предметного стекла служит специальный
алюминиевый цилиндр 12, на который одевается тонкая резиновая
трубка. Второй конец трубки одевается на тубус объектива микро-
микроскопа. Снизу отверстие в столике также герметизировано стек-
стеклом 13. Для придания конструкции механической прочности де-
детали столика залиты декоративной белой эпоксидной смолой 14.
Общий вид этого типа столика приведен на рис. 140.
Приводим ниже основные данные столика.
Рабочий ток __. . 20 а
Падение напряжения 0.1 в
Потребляемая мощность 2 вт
Диапазон рабочих температур, обеспечиваемый
столиком (при температуре воды в системе
теплосъема 18°) —25 4- +50°
Расход воды в системе теплосъема 15 л/час
Габариты:
диаметр . 60 мм
высота 16 мм
Рабочая высота столика 12 мм
Вес 150 г
221

На рис. 141 изображен четвертый конструктивный вариант
термоэлектрического микроскопного столика, предназначенного
Разрез А Об
Рис. 141. Разрез микроскопного
столика для наблюдения в от-
отраженном свете.
для работы в отраженном свете.
В этом столике термоэлементы
1 смонтированы на горячих ком-
коммутационных пластинах 2, в кото-
которых имеется кольцевой канал 3
для прохождени/i снимающей теп-
тепло воды; верхняя пластина 4, об-
образующая рабочую поверхность
столика, коммутирует холодные
спаи термоэлемента. Подключение
тока осуществляется через клем-
клеммы 5, напаянные на два штуцера
6, через которые подается и сли-
сливается вода. Для контроля темпе-
. ратуры рабочей поверхности сто-
лика к последней подпаяна мед-
но-константановая термопара, кон-
концы которой выведены на два
соединительных винта 7.
Основные параметры столика
этого типа следующие.
Максимальный перепад температур (при темпе-
температуре воды 18°) 40°
Рабочий ток, обеспечивающий максимальвый пе-
перепад температур •. 45 а
Потребляемая мощность 3 вт
Габариты:
высота 18 мм
диаметр 55 мм
Вес 134 г
Рис. 142. Общий вид микроскопного
столика для наблюдения в отражен-
отраженном свете.
Общий вид микроскопного столика для отраженного света при-
приведен на рис. 142.

Глава XV
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНДИЦИОНЕРЫ
И ДОМАШНИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ
В 1949 г. академик А. Ф. Иоффе впервые предложил
использовать эффект термоэлектрического охлаждения для целей
обогрева и охлаждения воздуха в служебных и бытовых помеще-
помещениях. Действительно, если, например, термоэлектрическую ба-
батарею расположить в стене здания так, чтобы радиаторы ее горячих
спаев находились внутри помещения, а радиаторы холодных
спаев выходили на «улицу», то при этом холодные радиаторы термо-
термобатареи будут поглощать тепло от воздуха холодной «улицы»,
еще больше охлаждая его, а радиаторы горячих спаев термобата-
термобатареи будут выделять это тепло внутрь помещения. Термоэлектри-
Термоэлектрическая батарея осуществляет, таким образом, перекачку тепла
от среды с низкой температурой в среду с более высокой темпера-
температурой, т. е. выполняет роль теплового насоса.
Обратимость термоэлектрической батареи, т. е. возможность
перевода ее из режима нагрева в режим охлаждения простым пере-
переключением направления питающего постоянного тока, позволяет
использовать батарею также и для охлаждения помещений за счет
нагрева воздуха «улицы». Описанная схема использования термо-
термобатареи для обогрева и охлаждения — кондиционирования воз-
воздуха в помещениях — предусматривает использование в каче-
качеств? рабочей среды воздуха. Однако в ряде случаев в качестве
рабочей среды может быть использована вода, протекающая в кон-
контуре теплосъема.
Термоэлектрические кондиционеры могут работать с термоди-
термодинамическим коэффициентом полезного действия выше 100%. Это
значит, что, подводя к термобатарее, например, 100 вт электри-
электрической мощности, мы получаем в помещении 200—300 вт (!).
Никакого нарушения законов термодинамики здесь, естественно,
нет, так как в помещение поступили 100 вт энергии, выделившейся
в термобатарее в виде Джоулева тепла и тепла Пельтье, а добавоч-
добавочные 100—200 вт тепла были перекачаны с «улицы». Это дополни-
дополнительное тепло уходит обратно на «улицу» за счет несовершенства
теплоизоляции стен помещения.
223

В технике термоэлектрического приборостроения все шире раз-
разворачиваются работы по созданию термоэлектрических кондицио-
кондиционеров самого различного назначения как для служебных, так п
для бытовых целей.
§ 1. КОНДИЦИОНЕРЫ СЛУЖЕБНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Наибольший интерес к термоэлектрическому кондицио-
кондиционированию воздуха проявляют работники транспорта. Действи-
Действительно, кондиционеры, используемые на морском, железнодорож-
железнодорожном, воздушном и автомобильном транспорте, в первую очередь
предназначены для создания комфортных условий для пассажиров
и обслуживающего персонала. При этом к кондиционерам предъ-
предъявляется ряд специфических требований, определяемых условиями
их эксплуатации. В частности, эти требования предусматривают:
бесшумность в работе, большой срок службы, устойчивость к вибра-
вибрационным и ударным нагрузкам, возможность работы при значи-
значительных кренах и качке, минимальное время выхода в рабочий ре-
режим, простота и надежность конструкции и ряд других. Всем этим
условиям в полной мере удовлетворяют кондиционеры, основан-
основанные на термоэлектрическом эффекте в полупроводниках.
В период с 1961 по 1965 г. в ряде организаций Советского
Союза велась разработка термоэлектрических кондиционеров для
пассажирских кают морских судов, купе железнодорожных ваго-
вагонов и других назначений. Основные параметры этих кондиционе-
кондиционеров приведены в табл. 22.
Эффективность работы, конструкция, весовые и габаритные
характеристики термоэлектрических кондиционеров в значитель-
значительной степени зависят от системы теплосъема с горячих спаев термо-
термобатареи. Кондиционеры, предназначенные для использования на
судах морского и речного флота, как Правило, имеют жидкостную
систему теплосъема. Причем в качестве рабочей жидкости исполь-
используется пресная (конденсат) либо забортная вода.
Схема кондиционера с жидкостным теплосъемом приведена
на рис. 143.
Здесь термобатарея 1 со стороны холодных спаев имеет систему
теплообменных (радиаторных) пластин 2, через которые с помо-
помощью вентилятора 3 продувается воздух. Забор воздуха произво-
производится снаружи через отверстие 4, а выход охлажденного либо на-
нагретого воздуха происходит через отверстие 5. Горячие спаи термо-
термобатареи имеют развитую систему теплосъема, которая омывается
проточной водой, прокачиваемой насосом 6. В конструкциях жид-
жидкостной системы теплосъема необходимо учитывать возможность
электролиза воды (в особенности забортной) под влиянием напря-
напряжения, приложенного к термобатарее. В связи с этим отдельные
термоэлементы со стороны. горячих спаев должны быть электро-
изолированы от омывающей их жидкости (см. ч. II, гл. VI, § 3).
224

Таблица 22
Основные параметры отечественных термоэлектрических кондиционеров
Марка
кондици-
кондиционера
ТЛЗ-25
КР-04
КР-1
—
КР-2
КР-3
КС-6
КС-9
АГТ-1
Холодо-
произво-
дитель-
ность,
ккал./час
150
350
1000
1600
2000
3000
6000
8000
4000
Схема теплообмена
Воздух—воздух.
» »
» »
» »
» »
» »
Вода—воздух.
» »
Вода—вода.
Назначение
Универсальный.
Кондиционирование воздуха в
купе ж.-д. вагона.
Стабилизация температуры в ра-
радиоэлектронном устройстве.
Кондиционирование воздуха в
купе ж.-д. вагона. •
Стабилизация температуры ра-
радиоэлектронной аппаратуры.
Стабилизация температуры в ра-
радиоэлектронных устройствах.
Кондиционирование воздуха в
каютах пассажирских судов.
Глубокая гипотермия при хи-
хирургических операциях.
Примечание. Приведенные в таблице кондиционеры разработаны в СКБ полу-
полупроводниковых приборов Министерства приборостроения, средств автоматизации и си-
систем управления СССР, Институте энергетики АН ЛатвССР и Одесском технологическом
институте пищевой и холодильной промышленности.
Судовые кондиционеры, разработанные в СССР, имеют холодо-
производительности от 400 до 17 000 ккал./час. За рубежом,
в частности в США и Японии, большое внимание уделяется созда-
I I I I OT ill
ТТТТТТТТТ1
'Воздух
Рис.
143. Схема устройства термоэлектрического кон-
кондиционера системы воздух—вода.
нию термоэлектрических кондиционеров для подводных лодок.
Этот интерес вполне понятен, так как современная подводная лодка
обладает большим временем автономного плавания как в подвод-
подводном, так и надводном положении, что требует создания нормальных
15 Е. А. Коленко
225

Воздух
Воздух
Рис. 144. Схема устройства термо-
термоэлектрического кондиционера си-
системы воздух—воздух.
условий жизни и работы экипажа. Использование компрессион-
компрессионных кондиционеров на подводных лодках крайне нежелательно,
ибо последние создают шум, пе-
перестают работать при качке и
диферентах и, что самое глав-
главное, в качестве хладоагента ис-
используют фреон, утечка которо-
которого в атмосферу подводной лодки
(в аварийных случаях) абсолют-
абсолютно недопустима. По данным за-
зарубежной печати, использова-
использование термоэлектрических конди-
кондиционеров воздуха на подводных
лодках является весьма перс-
перспективным и важным.
Термоэлектрические конди-
кондиционеры с воздушным теплосъе-
мом с горячих спаев термобата-
термобатареи предназначены для исполь-
использования на железнодорожном
транспорте для создания ком-
комфортных условий в купе железнодорожного вагона, для понижения
температуры в кабине машиниста мостового крана в «горячих це-
цехах», в кабине трактора,
в пассажирском автобусе
и легковой автомашине,
т. е. во всех случаях, ког-
когда трубуется создать нор-
нормальные температурные ус-
условия для человека.
Схема термоэлектриче-
термоэлектрического кондиционера с воз-
воздушным теплосъемом при-
приведена на рис. 144.
Термоэлектрическая ба-
батарея 1 со стороны холод-
холодных и горячих спаев имеет
систему радиаторных пла-
пластин, обдуваемых возду-
воздухом посредством вентиля-
вентиляторов 2 и 3. Наружный
воздух, проходящий через
систему радиаторов на го-
горячей стороне термобата-
термобатареи 4, сбрасывается в ок-
окружающую среду. Воздух в холодном контуре посредством
вентилятора 3 продувается сквозь радиаторную систему хо-
АТ
зг
гч
1В
о
- 5-
1500
1000
500
О
100
200
300 1,а
Рис. 145. Нагрузочные характеристики
кондиционера системы воздух—воздух в
режиме охлаждения.
226

лодных спаев термобатареи и поступает в рабочее поме-
помещение.
Всесторонние испытания одного из типов термоэлектрических
кондиционеров с холодопроизводительностыо 350 ккал./час, пред-
предназначенных для создания комфортных условий в купе железно-
железнодорожного вагона, проводились в Институте энергетики АН Лат-
Латвийской ССР. Двумя независимыми вентиляторами через радиа-
радиаторные системы холодных
и горячих спаев термоба-
тареи продувался воздух
температурой 25°, с рас-
расходом 150 и 225 кг/час
соответственно. При этом
определялись основные
эксплуатационные пара-
параметры кондиционера для
режимов охлаждения и на-
нагрева в зависимости от
величины питающего тер-
термобатарею тока.
Из рассмотрения кри-
кривых, приведенных на рис.
145 и рис. 146, видно, что
в режиме охлаждения мак-
максимальная холодопроизво-
дительность ^0 достигает
величины 370 ккал./час
О
100
300 Г,а
Рис. 146. Нагрузочные характеристики
кондиционера системы воздух—воздух в
режиме нагрева.
при токе в 220 а. При этом
А Т—17°, а холодильный
коэффициент е=0.5. В ре-
режиме нагрева при том же
токе 220 а теплопроизводи-
тельность Qq1 достигает 1040 ккал./час, перепад температур
ду1=29° и тепловой коэффициент (х=1.6.
Таким образом, можно сделать вывод, что на железнодорожном
транспорте уже сейчас на некоторых маршрутах в средней полосе
страны использование термоэлектрических кондиционеров воздуха
является технически целесообразным и экономически оправдан-
оправданным, несмотря на то что холодильный коэффициент термоэлектри-
термоэлектрического кондиционера несколько ниже, чем у компрессионных
кондиционеров. Однако высокое значение теплового коэффициента
термоэлектрического кондиционера делает его значительно эко-
экономичнее обычно применяющегося способа электрообогрева. Пред-
Предварительные расчеты показывают, что термоэлектрический кон-
кондиционер по суммарному потреблению энергии (в обоих режимах)
будет на 20—30% экономичнее системы электрообогрева и холо-
холодильной машины.
l/2
E. А. Коленко
227

В Одесском технологическом институте пищевой и холодиль-
холодильной промышленности проводились испытания термоэлектриче-
термоэлектрического кондиционера с жидкостным теплосъемом с горячих спаев
термобатареи. Кондиционер,
созданный в этом институте,
предназначен для создания
комфортных условий в пас-
пассажирских каютах морских и
речных судов. Результаты ис-
испытаний кондиционера в ре-
,,1т жиме охлаждения приведены
1800 на Рис" ^^' где изображены
зависимости перепада темпе-
температур (А77), холодильного
коэффициента (е), холодопро-
изводительности (Q) от вели-
величины питающего термобата-
термобатарею тока (/). Все кривые
сняты при температуре воды
в системе теплосъема 25° и
температуре поступающего в
кондиционер воздуха 30°.
При токе 150 а и холодопро-
изводительности около 1000
вт перепад температур меж-
между входящим и выходящим
из кондиционера воздухом
А Т= 10.6°, при холодильном
коэффициенте е=2.1.
Из сравнения приведен-
приведенных выше результатов испы-
испытаний видно, что термоэлектрические кондиционеры служебного
назначения, работающие по схеме вода—воздух, более эффек-
эффективны, чем кондиционеры, работающие по схеме воздух—воз-
Рис. 147. Нагрузочные характеристики
кондиционера системы воздух—жид-
воздух—жидкость в режиме охлаждения.
§ 2. КОНДИЦИОНЕРЫ БЫТОВОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Как указывалось выше, термоэлектрический тепловой
насос позволяет нагреть помещение за счет охлаждения «улицы»
либо понизить температуру помещения за счет нагрева «улицы».
Причем, переход от режима «нагрева» к режиму «охлаждения»
осуществляется простым переключением полярности питающего
термобатарею постоянного тока. Это создает весьма заманчивые
возможности в создании термоэлектрических отопительно-охла-
отопительно-охладительных агрегатов для бытовых нужд. Основная исследователь-
исследовательская и опытно-конструкторская работа по созданию термоэлектри-
термоэлектрических отопительно-охладительных агрегатов для жилых помеще-
228

ний сосредоточена в Лаборатории полупроводниковых тепловых
насосов (ЛПТН), где под руководством С. М. Лукомского было
создано несколько типов приборов, предназначенных для отопле-
отопления жилых помещений зимой и охлаждения летом. Были разрабо-
разработаны отопительно-охладительные агрегаты на различные холодо-
производительности от 250 до 3000 ккал./час с использованием
в качестве рабочей среды воды либо воздуха.
На рис. 148 изображен агрегат с холодопроизводительностыо
в 200 ккал./час, разработанный ЛПТН и изготовленный на заводе
Рис. 148. Общий вид термоэлектрического
кондиционера для жилых помещений с холо-
холодопроизводительностыо 200 ккал./час.
«Сантехника». Этот агрегат предназначен для создания нормальной
круглогодичной температуры в небольшой жилой комнате. Термо-
Термоэлектрическая батарея состоит из пяти секций по 10 термоэлемен-
термоэлементов в каждой. Таким образом, холодопроизводительность одной
секции равняется около 40 ккал./час. Холодные и горячие спаи
термоэлементов снабжены системой радиаторных пластин, заклю-
заключенных в два короба, образующие холодный и горячий тракты для
воздуха, продуваемого сквозь них двумя независимыми вентиля-
вентиляторами. В режиме нагрева отопительный коэффициент агрегата
был равен 2.5. Стоимость электроэнергии, потребляемой от сети
термоэлектрическим отопительно-охладительным агрегатом с хо-
холодопроизводительностыо 200 ккал./час, равна лишь 0.67 коп.,
т. е. равна стоимости энергии, получаемой от ГРЭС. При этом надо
учесть, что в отличие от ТЭЦ, которая обеспечивает только обо-
обогрев помещений, термоэлектрические агрегаты дают возможность
летом также и охлаждать его. При разности температур на входе
и выходе отопительно-охладительного агрегата в 10° использова-
15* 229

ние термоэлектрических агрегатов уже сейчас является экономи-
экономически целесообразным практически для всех районов СССР. Дей-
Действительно, в случае использования агрегатов, работающих по
схеме воздух—воздух, при окружающей температуре в 30° тем-
температура в помещении будет сохраняться на уровне 20°.
Для агрегатов с использованием жидкости в качестве рабочей
среды при температуре последней в 25° (более высокая температура
водопроводной воды практически не бывает ни в одном пункте
Советского Союза) температура в помещении может поддержи-
поддерживаться на уровне 15°. Приведенные примеры эксплуатационных
испытаний термоэлектрических отопительно-охладительных агре-
агрегатов говорят, что уже сейчас подобные агрегаты являются кон-
курентноспособными с обычными методами обогрева помещений.
§ 3. ДОМАШНИЕ ХОЛОДИЛЬНИКИ
БОЛЬШОГО ОБЪЕМА
Как известно, бытовые холодильники являются пред-
предметом массового спроса и выпускаются промышленностью в боль-
больших количествах. В настоящее время в бытовых холодильниках
обычно применяются компрессионные холодильные агрегаты или
абсорбционные устройства,
Наибольшее распространение получили холодильники ком-
компрессионного типа. Однако они обладают рядом недостатков,
основными из которых являются:
1) ограниченный срок службы, связанный с наличием в ком-
компрессоре движущихся частей, подвергающихся износу, и исполь-
использованием в качестве хладоагента легколетучей, вызывающей кор-
коррозию жидкости — фреона;
2) относительная сложность изготовления компрессионного
агрегата, что влечет за собой его высокую стоимость;
3) большой вес и габариты компрессора, что вызывает необ-
необходимость увеличения размеров холодильного шкафа.
Основным недостатком холодильников, использующих абсорб-
абсорбционный принцип, является их неэкономичность из-за большого
потребления электроэнергии.
Уже в самом начале развития техники термоэлектрического
охлаждения возникла идея создания термоэлектрического быто-
бытового холодильника. Первые работы в этой области относятся
к 1951 г. В последующие годы в Институте полупроводников
АН СССР было разработано несколько образцов термоэлектриче-
термоэлектрических холодильников с водяным и воздушным съемом тепла с горя-
горячих спаев термоэлектрической батареи. Проблема теплосъема
в термоэлектрических бытовых холодильниках приобретает осо-
особую важность в связи с тем, что на горячих спаях термобатареи
выделяется большое количество тепла, которое необходимо эф-
эффективно убрать. Системы отвода тепла посредством проточной
230

воды не нашли применения из-за больших эксплуатационных не-
неудобств, связанных с необходимостью круглосуточной подачи
воды в холодильник.
В 1955 и 1956 гг. были разработаны опытные образцы бытовых
термоэлектрических холодильников с воздушным отводом тепла
на систему радиаторов. Однако, несмотря на ряд бесспорных пре-
преимуществ, эти холодильники также не получили распространения
из-за незначительного объема рабочей камеры D0 л).
В 1957 г. на основании использования опыта предшествующих
разработок была создана модель бытового термоэлектрического
1.8 -
1.5
1.2
0.9
0.6
0.3
100
гоо
300
Рис. 149. Зависимость холодильного коэффи-
коэффициента от объема рабочей камеры для различ-
различных типов домашних холодильников: компрес-
компрессионных A), полупроводниковых B), абсорбци-
абсорбционных.C).
холодильника большого объема со съемом тепла от термобатареи
системой воздушных радиаторов. Этот холодильник по своим экс-
эксплуатационным и теплотехническим данным уже приближался
к уровню современных холодильников абсорбционного типа.
Анализ работы ряда отечественных и иностранных компрес-
компрессионных и абсорбционных бытовых холодильников, проведенный
В. А. Найером, показал, что при объеме рабочей камеры менее
40 л термоэлектрические холодильники, собранные на полупро-
полупроводниковых веществах, имеющих z=1.8 • 10~3 град., обладают
более высоким холодильным коэффициентом, чем компрессионные
холодильники. При объемах рабочей камеры до 100 л термоэлектри-
термоэлектрические холодильники по своей экономичности могут превосходить
холодильники абсорбционного типа, но уступают компрессионным
холодильникам (рис. 149).
Однако простота конструкции, отсутствие движущихся частей
и вызывающих коррозию веществ, что создает практически неогра-
неограниченный срок службы, незначительная стоимость при массовом
16 Е- А. Коленко
231

производстве уже сейчас делают термоэлектрический бытовой
холодильник серьезным конкурентом холодильникам абсорбцион-
абсорбционного и Компрессионного типов. Безусловно, с улучшением доброт-
добротности полупроводниковых веществ будут создаваться все более
экономичные модели, которые в конечном счете вытеснят все дру-
другие типы бытовых холодильников. В связи с этим выяснение во-
вопросов конструкции и тех-
технологии изготовления, а так-
также получение полных экс-
эксплуатационных данных тер-
термоэлектрических ХОЛОДИЛ!^-
ников является весьма ак-
актуальным и своевременным^
Термоэлектрический холй
дильник образца 1957 г. соз»
дан на основе стандартного
шкафа холодильника «Ока»,
в котором толщина тепловой
изоляции увеличена до 100
мм. В качестве теплоизоля-
теплоизоляционного материала исполь-
использована мипора. В соответст-
соответствии с увеличением теплоизо-
теплоизоляции внутренний объем хо-
холодильной камеры оказался
равным 91 л.
Внутренняя камера холо-
холодильника горизонтальной пе-
перегородкой разделена на две
части — верхнюю и нижнюю
(рис. 150). В верхней камере
температура понижается до
3—5°, что вполне достаточно
для хранения таких продук-
продуктов, как масло, вино, мо-
Рис. 150. Разрез термоэлектрического лоКО« ФРУ*™ и др. В нижней
домашнего холодильника образца 1957 г. камере температура понижа-
понижается до —4-j 6°, что обеспе-
обеспечивает хранение мяса, колбас и других мясных продуктов. Для
уменьшения потерь холода при открывании дверцы холодильни-
холодильника нижняя камера снабжена дополнительной дверцей, которая
открывается при необходимости доступа в эту камеру.
Конструктивное выполнение воздушных радиаторов потре-
потребовало расположения термоэлементов в нижней части холодиль-
холодильного шкафа, а радиаторов — вдоль всей задней стенки холодиль-
холодильника. Поскольку естественный конвекционный обмен воздуха
во внутренней камере холодильника незначителен, выравнивание
232

температуры между нижней и верхней камерами в значительной
степени определяется теплопроводностью алюминия, из которого
изготовлена внутренняя камера.
Ранние конструкции термоэлектрических бытовых холодиль-
холодильников с воздушным теплосъемом имели термобатареи, состоящие
из нескольких сот термоэлементов, для создания которых требо-
требовался большой расход дефицитных полупроводниковых материа-
материалов. Термоэлектрические батареи этих
холодильников представляли собой единый
блок, в котором выход из строя даже од-
одного термоэлемента требовал капитально-
капитального ремонта всей батареи.
В описываемом холодильнике требуе-
требуемая холодопроизводительность обеспе-
обеспечивается всего 45 термоэлементами. Тер-
Термоэлементы (рис. 151) выполнены в виде
отдельных узлов, состоящих из полупро-
полупроводниковых сплавов электронной и ды-
дырочной проводимости 1 и 2, медных теп-
лопроводов 3, горячих радиаторов 4 и
холодных радиаторов 5. Отдельный холо-
холодильный элемент обладает холодопроиз-
водительностыо около 0.4 ккал./час. Кон-
Конструкция термоэлемента полностью исклю-
исключает паразитные потери тепла между хо-
холодными и горячими радиаторами, что
обеспечивается непосредственными пайка-
пайками всего узла в местах а—г. Такая кон-
конструкция термоэлемента позволяет-произ-
позволяет-производить проверку качества и смену отдель-
отдельных элементов независимо от остальных,
что весьма важно при проверке термоэлек-
термоэлектрической батареи в процессе ее сборки
и при возможных ремонтах в эксплуатационных условиях.
При сборке холодильника отдельные термоэлементы вставляются
в соответствующие гнезда, имеющиеся в задней стенке камеры,
на которой предварительно укрепляются расположенные вееро-
веерообразно воздушные радиаторы. Пайка термоэлементов к горячим
и холодным ребрам радиаторов осуществляется специальными
легкоплавкими припоями.
Электрическое питание холодильник получает от выпрямителя,
смонтированного в нижней части холодильного шкафа. Величина
оптимального тока, которому соответствует максимальная холодо-
холодопроизводительность, равна 25 а; при этом падение напряжения на
термоэлектрической батарее составляет 3.3 в. Выпрямитель собран
на двух германиевых диодах ВГ-50-15, включенных по двухполу-
периодной схеме.
Рис. 151. Узел термо-
термоэлемента домашнего хо-
холодильника образца
1957 г.
16s
233

Германиевые диоды требуют воздушного охлаждения, что
обеспечивается естественной конвекцией воздуха в блоке выпря-
выпрямителя. При к. п. д. выпрямителя 80—85% потребление
электроэнергии холодильником от сети переменного тока равно
90—100 вт. На рис. 152 приведен общий вид холодильника.
В 1959—1961 гг. И. В. Зориным, В. П. Рыбальченко и
А. Г. Щербиной были разработаны три типа термоэлектрических
бытовых холодильников
под марками «Айсберг-1»,
«Айсберг-2» и «Айсберг-3».
Эти холодильники имеют
рабочую камеру от 90
(«Айсберг-1») до 125 л
(«Айсберг-3). Съем тепла
от термоэлектрической ба-
батареи во всех трех типах
осуществляется системой
воздушных радиаторов,
расположенных на задней
стенке холодильного гака-
фа. В отличие от описан-
описанного холодильника модели
1957 г. в холодильниках
«Айсберг» система воздуш-
воздушных радиаторов вместо 6 ма
имеет площадь 5 м2. За счет
более тесного расположе-
расположения радиаторных ребер и
уменьшения толщины реб-
ребра с 2 до 1 мм удалось
значительно сократить га-
габариты радиаторной систе-
системы. Если в холодильнике
образца 1957 г. радиатор-
радиаторная система располагалась вдоль всей задней стенки холодиль-
холодильного шкафа, то в холодильниках «Айсберг» радиаторы занимают
только *74 часть задней стенки. Для улучшения теплообмена между
ребрами и окружающим воздухом радиаторная система с боков
заключена в специальный вентиляционный кожух из пенопласта.
Наличие кожуха создает дополнительный конвекционный поток
воздуха вдоль ребер, в результате чего температура радиатора
дополнительно понизилась на 3—4°.
Благодаря более рациональной системе отвода тепла термо-
термоэлектрическую батарею удалось расположить в верхней части
рабочей камеры холодильника, что вызвало более равномерное
распределение температуры в рабочем объеме. В холодильниках
типа «Айсберг» использованы термоэлементы меньшего размера,
234
Рис. 152. Общий вид домашнего холо-
холодильника образца 1957 г.

в результате чего расход полупроводникового вещества снизился
до 200 г на всю термобатарею.
Напряжение питания термобатареи холодильников «Айсберг»
3.3 в при токе 26 а. Выпрямитель для питания термоэлектрической
батареи собран по двухполупериодной схеме на германиевых дио-
диодах ВГ-50-15. Для сглаживания пульсации выпрямленного тока
служит дроссель, смонтированный в блоке выпрямителя. Выпря-
Выпрямитель во всех типах холодильников «Айсберг» располагается
в нижней части холодильного шкафа. При к. п. д. выпрямителя,
равном 80%, потребляемая холодильником мощность от сети пере-
переменного тока равна 103 вт.
Критически анализируя общепринятые требования, которые
предъявляются к домашним холодильникам любого типа, автор
пришел к следующим выводам.
1. Температурный режим, который должен создаваться в ра-
рабочей камере холодильника, установлен согласно утверждению,
что холодильник предназначен для хранения продуктов. Исходя
из этого, было установлено, что для хранения мяса, свежей рыбы,
битой птицы, икры и копченостей необходима температура —2-^-0°.
Температура хранения сливочного и топленого масла, сала, сме-
сметаны и творога установлена от 0 до 4°. Овощи и фрукты должны
храниться при температуре 3—7°. Величины указанных темпера-
температур не вызывают сомнения, однако фактически.повсеместно домаш-
домашние холодильники используются не для длительного
хранения продуктов, а для их временного содер-
содержания. Действительно, в подавляющем большинстве случаев
тот или иной пищевой продукт находится в холодильнике 1—
2 дня. В редких случаях 2—3 дня. При столь непродолжительных
сроках содержания, например, мясные продукры могут совершенно
безболезненно находиться не при —2-^-0 °, а при температуре
+3-^-5°. Те же самые рассуждения относятся к температуре крат-
кратковременного содержания других продуктов, которая может быть
повышена до +8-^—j-Ю0. Следует отметать, что практически все
выпускаемые промышленностью холодильники как компрессион-
компрессионного, так и абсорбционного типа фактически немного заморажи-
замораживают, продукты, чем ухудшают их питательные и вкусовые свой-
свойства.
2. «Морозильное отделение» любого холодильника, где тем-
температура понижается до —11-;—9.5°, практически никогда не
используется.
Если согласиться со справедливостью приведенных доводов,
можно под новым углом зрения рассмотреть требования, предъ-
предъявленные к термоэлектрическим домашним холодильникам. Тем-
Температуры в +3-^-+5° внизу 100-литровой камеры и +6-^-+8°
в верхней части камеры можно получить в хлодильнике, термоба-
термобатарея которого потребляет по постоянному току 30—35 вт. Учи-
Учитывая к. п. д. выпрямителя, холодильник будет потреблять от
235

сети 50—55 вт. Такой термоэлектрический холодильник в два раза
экономичнее абсорбционных холодильников типа «Ленинград»
и по энергопотреблению станет наравне с большинством компрес-
компрессионных холодильников. Если учесть, что при этом остаются
в силе все перечисленные выше преимущества термоэлектрических
холодильников (простота конструкции, большой срок службы,
бесшумность работы, незначительная стоимость и др.), то станет
очевидным бесспорное достоинство этих холодильников уже при
существующей добротности полупроводниковых'-веществ. Со вре-
временем, по мере возрастания величины z термоэлектрических ма-
материалов, полупроводниковые холодильники будут все дальше
оставлять позади себя домашние холодильники всех других типов.
Для проверки высказанных выше соображений в конце 1965 г.
в Институте полупроводников АН СССР был изготовлен холодиль-
холодильник, рассчитанный на создание указанного выше температурного
режима в рабочей камере. В основу конструкции был взят шкаф
от холодильника «Днепр». Внутренняя камера объемом 100 л была
изготовлена из 1.5 мм алюминия. Толщина слоя изоляции из ми-
поры была 80 мм. Термоэлектрическая батарея холодильника
состояла из 15 термоэлементов, установленных в один ряд в ниж-
нижней части холодильной камеры. Конструкция термоэлементов не
отличается от описанной выше и использованной в холодильнике
образца 1957 г. Выпрямитель для питания термобатареи собран
по двухполупериодной схеме с силовыми вентилями ВГ-10-15
в плечах. Фильтрация выпрямленного тока осуществляется дрос-
дросселем. Выпрямитель холодильника расположен в нижней части
шкафа на месте, ранее занимаемом компрессионным агрегатом.
Теплоотвод от горячих спаев термобатареи осуществляется систе-
системой радиаторов, расположенных на задней стенке шкафа. Внутри
рабочей камеры находится система холодных радиаторных пла-
пластин, непосредственно припаянных к теплопроводам термоэлемен-
термоэлементов. Последовательное соединение термоэлементов осуществляется
непосредственно системой радиаторных пластин с горячей сто-
стороны термобатареи. Для улучшения теплообмена с окружающей
средой радиаторная система горячих спаев заключена в кожух
из декоративной пластмассы, создающий преимущественное, дви-
движение воздуха вдаль пластин. Радиаторные пластины изготовлены
из меди толщиной 1.5 мм, что привело к практическому отсутствию
паразитного перепада температур вдоль ребра. Расстояние между
ребрами 10 мм при длине и ширине ребра 450 и 50 мм соответст-
соответственно. Несмотря на относительно небольшие размеры, температура
ребра лишь на 5° превышает температуру окружающего воздуха.
Основные данные холодильника следующие.
Рабочий ток 24 а
Падение напряжения на термобатарее 1.35 вт
Потребляемая мощность по постоянному току .... 32.4 вт
Потребляемая мощность от сети . 56 вт
236

Объем рабочей камеры 100 л
Температура н камере по нертикальной оси
(при температуре окружающего ноздуха +18°):
на расстоянии 100 мм от дна камеры +3.5°
посредине камеры +5°
на расстоянии 100 мм от нсрха камеры .... -\-8°
Расход мощности на литр охлажденного объема . . 0.56 вт
Площадь «холодных» радиаторон 0.15 м2
Время ныхода в режим 10 час.
Расход полупронодниконого нещесгна 0.23 кг
Как видно из приведенных параметров, термоэлектрический
холодильник со «смягченным» тепловым режимом по основному
параметру — расходу мощности на 1 литр объема рабочей ка-
камеры, превосходит не только абсорбционные холодильники типа
«Ленинград» и «Газоаппарат», но и многие компрессиойные холо-
холодильники, приближаясь по этому параметру к холодильнику
«ЗИЛ» @.42 вт/л).
В настоящее время описанный холодильник находится в опыт-
опытной эксплуатации.
§ 4. ДОМАШНИЙ ХОЛОДИЛЬНИК
МАЛОГО ОБЪЕМА
В 1960 г. А. Н. Ворониным и Э. М. Шером был разра-
разработан термоэлектрический бытовой холодильник «Фонтан» с объе-
объемом рабочей камеры, равным 20 л. Необходимая температура в ка-
7
Рис. 153. Схема теплоотнода в холодильнике
«Фонтан».
мере обеспечивается термоэлектрической батареей, содержащей
всего восемь термоэлементов. Съем тепла с термоэлектрической
батареи осуществляется проточной водой, охлаждаемой за счет
скрытой теплоты испарения.
Принципиальная схема" системы водяного съема тепла холо-
холодильника «Фонтан» приведена на рис. 153. В сосуд 1 заливается
вода. Насосом 2, снабженным малогабаритным экономичным
электродвигателем 3, вода прогоняется через водяную рубашку 4,
к которой припаяны горячие спаи термоэлектрической батареи 5.
По выходе из рубашки охлажденная вода поступает в фонтанирую-
237

щее устройство 6. Мелкие струи воды 7 создают охлаждение воды
за счет ее частичного испарения. Охлажденная вода стекает в со-
сосуд 1 и снова поступает в термобатарею. В качестве фонтанирую-
фонтанирующего устройства в холодильнике использован серийно выпускае-
выпускаемый промышленностью увлажнитель воздуха УВ-1. Холодные
спаи термобатареи через электроизолированные коммутацион-
Рис 154. Общий вид холодильника
«Фонтан».
ные пластины припаяны к стенке металлической камеры, образую-
образующей рабочий объем холодильника.
Холодильник «Фонтан» выполнен в виде шкафа, отделанного
под дорогие породы дерева. Шкаф снабжен двумя отделениями:
холодильным и небольшим отделением для хранения посуды или
продуктов, не требующих охлаждения. В процессе работы холо-
холодильника за счет испарения происходит частичная убыль воды,
равная около 0.5 л в сутки. Для нормальной работы холодильника
в сосуд фонтанирующего устройства необходимо ежесуточно до-
доливать 2 стакана воды. Питание термоэлектрической батареи
осуществляется от выпрямителя, собранного по двухполупериод-
ной схеме с германиевыми диодами ВГ-10 в качестве вентилей.
Для сглаживания пульсаций выпрямленного тока служит дрос-
дроссель, смонтированный в блоке выпрямителя. Выпрямитель разме-
размещается в задней части холодильника.
Следует отметить, что холодильник «Фонтан» потребляет от
сети всего 30 вт, что делает его весьма экономичным. На рис. 154
изображен общий вид холодильника.
Основные технические данные холодильника «Фонтан».
Рабочий ток 20 а
Падение напряжения на термобатарее 0.5 в
Расход полупроводникового вещества на термобатарею 30 г
2 38

Количество термоэлементов в термобатарее 8 шт.
Потребляемая от сети мощность 30 вт
Мощность электродвигателя насоса 4 вт
Объем рабочей камеры . 20 л
Габариты:
высота 800 мм
ширина 750 мм
глубина 500 мм
В 1964 г. в СКВ Института полупроводников АН СССР сов-
совместно с рядом других организаций был разработан еще один кон-
конструктивный вариант термо-
термоэлектрического домашнего
холодильника с объемом ра-
рабочей камеры 20 л. Конструк-
Конструкция этого холодильника по-
зволяла устанавливать его на ЩЬ L,
столе либо крепить к стене. и§ J*";. • НИШ
Корпус холодильника был g ^
изготовлен из пластмассы. *''
Тешгосъем от горячих спаев
термобатареи так же, как и в
холодильнике типа «Фонтан»,
осуществлялся за счет скры- В
той теплоты испарения воды. В ||
Однако в данном случае вода
не фонтанировала, а разбрыз-
разбрызгивалась на горячие радиа-
торные пластины специаль-
специальным устройством внутри кор-
корпуса холодильника.
Расход мощности, потреб-
потребляемой от сети на 1 л полез-
полезного объема рабочей камеры
холодильника, был равен Рис. 155. Общий вид второго варианта
1.35 вт; расход полупровод- холодильника «Фонтан»,
никового вещества на тер-
термобатарею — 55 г.
Общий вид настольного варианта холодильника «Фонтан»
в пластмассовом корпусе приведен на рис. 155.

Глава XVI
ПРИБОРЫ РАЗНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
§ 1. ХОЛОДИЛЬНИКИ ДЛЯ ЖИВОТНОВОДСТВА
В животноводческой практике известен метод искус-
искусственного осеменения животных, который позволяет во много раз
ускорить получение высокопородистого приплода. Однако успеш-
успешное массовое распростра-
распространение этого метода натолк-
натолкнулось на одно существен-
существенное затруднение, связан-
связанное с тем, что сперма,
полученная от производи-
производителя, лишь незначительное
время сохраняет способ-
способность к оплодотворению.
В реальных же условиях
сперма должна сохранять
все свои качества в тече-
течение довольно продолжи-
продолжительного времени. Было
установлено, что сперма,
находящаяся при пони-
пониженной температуре, не
теряет своих качеств даже
при хранении в течение не-
нескольких лет. Так, напри-
например, если при температуре
О "сперма может сохранять-
сохраняться в течение нескольких дней, то при температуре —78°—до 3 лет.
Таким образом, весьма важной .оказалась задача создания ма-
малогабаритных термостатов-холодильников для транспортировки
и хранения спермы. Если в стационарных условиях хранения эта
задача может быть разрешена посредством использования холо-
холодильных машин, то в условиях транспортировки спермы непосред-
непосредственно на пункты искусственного осеменения использование
Рис. 156. Разрез холодильника для жи-
животноводства с естественным теплосъемом.
24G

холодильников с компрессионными или абсорбционными агре-
агрегатами не представляется возможным. Использование для этой
цели охлаждения льдом, твердой углекислотой или другими пе-
периодически действующими хладоагентами в силу ряда эксплуата-
эксплуатационных неудобств (относительная дефицитность, необходимость
периодического пополнения и т. п.) также не представляется воз-
возможным.
В связи с изложенным возникла
настоятельная необходимость в соз- ;•
дании небольшого по объему легко ■
транспортируемого холодильника. На j
основе метода термоэлектрического [
охлаждения было сконструировано i
и изготовлено несколько образцов ,
микрохолодильников, предназначен-
предназначенных для внутрирайонной транспор-
транспортировки и хранения спермы круп-
крупного рогатого скота.
В первых типах холодильников ;
объем рабочей камеры был равен
80 см3, что позволяло поместить в
ней 10 ампул с семенем. Поскольку в
термоэлектрических охлаждающих |;
устройствах весьма существенным яв-
является обеспечение эффективного от-
отвода тепла от горячей стороны термо-
термоэлектрической батареи, были изготов-
изготовлены три конструктивных варианта
холодильников, в которых отвод теп-
тепла осуществляется посредством си-
системы радиаторов с естественной кон-
конвекцией воздуха, системы радиато-
радиаторов с принудительным обдувом и теп- с естественным теплосъемом.
лоотводом на воду.
Первый конструктивный вариант холодильника (рис. 156)
имел рабочую камеру 1 в виде красномедного стакана диаметром
36 мм и высотой 72 мм. Своей торцовой частью рабочая камера
через тонкую A0 мк) полиэтиленовую пленку с хорошим тепловым
контактом сопрягалась с холодными спаями термоэлектрической
батареи 2. Термоэлектрическая батарея, состоящая из 18 термо-
термоэлементов размером 5x5x10 мм, заливалась в эпоксидную смолу,
образуя тем самым единый конструктивный узел.
Тепло с горячих спаев термоэлектрической батареи отводилось
на алюминиевый коллектор 3. В местах сопряжения батареи с кол-
коллектором для исключения электрического контакта последний
электрохимическим путем покрывался тонким A—2 мк) слоем
окиси алюминия. Отвод тепла от коллектора горячих спаев осу-
Рис. 157. Общий вид холо-
холодильника для животноводства
241

ществляется системой из 12 ребер воздушного радиатора 4, вы-
выполненных также из алюминия.
Рабочий объем холодильника окружен слоем теплоизоляции
из пенопласта 5 и снаружи защищен металлическим чехлом 6.
Сверху рабочая камера закрывается крышкой 7. Для удобства
транспортировки холодильник снабжен ручкой.
Электропитание холодильника осуществляется от серебряно-
цинкового аккумулятора. Внешний вид холодильника зтого типа
представлен на рис. 157.
Приводим основные данные холодильника с естественным
съемом тепла на систему воздушных радиаторов.
Полезный объем рабочей камеры 80 см3
Максимальное снижение температуры (при окружаю-
окружающей температуре 20°) До —2°
Напряжение питания термобатареи 1.2 в
Ток питания термобатареи 8 а
Потребляемая мощность 9.6 вт
Площадь радиаторных пластин 1400 см2
Габариты:
диаметр 165 мм
высота ....'. 160 мм
Вес , 1300 г
К недостаткам термоэлектрического холодильника с естествен-
естественным отводом тепла следует отнести малый перепад температур
между окружающим воздухом и рабочим объемом. При окружаю-
окружающей температуре, превышающей 20°, что часто встречается на
практике, данный тип холодильника не может обеспечить в рабочей
камере температуру ниже нуля.
Второй конструктивный вариант термоэлектрического холо-
холодильника (рис. 158) рассчитан на принудительный обдув системы
радиаторов 1, осуществляемый малогабаритным вентилятором 2,
смонтированным в кожухе холодильника. Наличие более эффек-
эффективного съема тепла и системы из 24 радиаторных пластин общей
площадью 3000 см2 позволило улучшить теплотехнические данные
холодильника и увеличить перепад температур между окружаю-
окружающей средой и внутренним объемом. Если в холодильнике с естест-
естественным отбором тепла от системы радиаторов перепад температур
был равен 20—22°, то в случае принудительного обдува величина
перепада поднялась до 28—30°. Это значит, что требуемая внутри
холодильника температура 0—2 ° может быть обеспечена при внеш-
внешней температуре, доходящей до 28—30°, что дает возможность ис-
использовать данный тип холодильника в южных районах. При
отключенном вентиляторе холодильник обеспечивает перепад
температур на 6—8° меньше.
Электрические параметры питания термоэлектрической бата-
батареи этого типа холодильника такие же, как и у холодильника
с естественным отбором тепла. Однако для питания вентилятора
242

требуется дополнительный источник напряжения — сухая бата-
батарея на 12 в (потребляемый вентилятором ток 0.25 а). Общий вес
холодильника (без источников питания) 2300 г. Внешние габариты:
высота 300 мм, диаметр 150 мм.
На рис. 159 приведен общий вид холодильника с принудитель-
принудительным обдувом системы радиаторов.
Весьма существенным является вопрос об обеспечении непре-
непрерывного питания термоэлектрической батареи холодильника
в течение всего времени эксплуата-
эксплуатации. В описанных конструкциях
холодильников в качестве источ-
источника питания может быть исполь-
использована батарея серебряно-цинко-
серебряно-цинковых аккумуляторов типа СЦ-45,
состоящих из восьми параллельно
соединенных банок. Общая емкость
аккумулятора равна 360 а/час;
этого достаточно для непрерывной
работы холодильника в течение
40—45 час.
В том случае, когда транспор-
транспортировка холодильника производит-
производится на автомобиле, можно аккуму-
аккумулятор, питающий холодильник,
включить в режим подзарядки от
генератора автомобиля, что позво-
позволяет гораздо более длительное вре-
время питать холодильник.
В Агрофизическом институте
Академии сельскохозяйственных
наук был сконструирован термо-
термоэлектрический холодильник с объе-
объемом рабочей камеры 500 см3,
предназначенный для транспорти-
транспортировки спермы сельскохозяйствен-
сельскохозяйственных животных. В данной кон-
конструкции холодильника (рис. 160) теплоотвод от горячих спаев
термоэлектрической батареи осуществляется на воду, находя-
находящуюся в специальном баке 1 в количестве 20 л. Заполнение и слив
воды из бака осуществляются через отверстия 2 и 3.
Термоэлектрическая батарея холодильника 4 заключена между
металлическим стаканом 5, образующим рабочий объем, и радиа-
радиатором 6. Радиатор ввинчивается в опорное кольцо водяного бака
и уплотняется резиновой прокладкой 7. Для улучшения тепло-
теплообмена между водой и радиатором последний снабжен системой
ребер 8, развивающих его поверхность. Для автоматического под-
поддержания температуры внутри рабочей камеры служит датчик тем-
- ^2
Рис. 158. Разрез холодильника
для животноводства с принуди-
принудительным воздушным теплосъемом.
243

I
пературы 9, прикрепленный к рабочей камере. Теплоизоляция
рабочей камеры осуществляется слоем пенопласта 10. Сверху хо-
холодильник имеет съемную крышку 11.
Электрическая схема питания термоэлектрической батареи
и автоматического регулирования температуры приведена на
рис. 161. Напряжение для питания тер-
.- — - - - - мобатареи ТВ подается от автомобиль-
автомобильного 12-вольтового аккумулятора Ег
через гасящее сопротивление R г и реле
Рг. Последовательно в цепь питания
термобатареи включен плавкий предо-
предохранитель П. При замыкании контакта
биметаллического реле ТР, что и|деет
место при температуре в рабочей йаме-
ре выше заданной, напряжение oi ис-
источника питания подается на промежу-
промежуточное реле Р%, которое включает^ си-
силовое реле Рг. При этом контакты си-
силового реле замыкаются, и на термо-
термоэлектрическую батарею ТВ подается
питание.
Когда температура в рабочем объеме
становится ниже заданной, биметалли-
биметаллическое реле размыкается, реле Р2 ш Pt
размыкаются, и термобатарея отключа-
отключается от источника питания. Измерение
температуры в рабочем объеме осуще-
осуществляется посредством неуравновешен-
неуравновешенного моста, в одно из плеч которого
включен термистор ПТС. В качестве
индикатора температуры используется
микроамперметр, включенный в диаго-
диагональ моста. Шкала микроамперметра
проградуирована по температуре в пределах от —5 до +10°.
Регулировка напряжения, питающего мост, осуществляется пе-
переменным сопротивлением R3. При этом переключателем вместо
термистора ПТС подключается контрольное сопротивление /?4.
Результаты испытаний холодильника приведены на графиках,
изображенных на рис. 162, где кривые 1 и 2 дают зависимость пе-
перепада температур между рабочим объемом и водой в баке при токе
через термобатарею 8 а A) и токе 6 а B). Кривые 3 и 4 показывают
повышение температуры воды в баке при токе соответственно
8 и 6 а.
Из приведенного графика видно, что перепад температур в 17°,
что соответствует температуре в рабочем объеме 0°, достигается
через 11 мин. при токе 8 а и через 17 мин. при токе 6 а. Эта разница
во времени достижения предельной температуры незначительна.
Рис. 159. Общий вид хо-
холодильника для животно-
животноводства с принудительным
воздушным теплосъемом.
244

однако нагрев воды при токе 6 а происходит более медленно, в связи
с чем рабочий ток через батарею был выбран 6а.
На рис. 163 показано понижение температуры в рабочем объеме
со временем для случая пустого объема 1 и объема, заполненного
Ю- — ;.
Рис. 160. Разрез холодильни-
холодильника для животноводства с теп-
лоотводом на воду.
Рис. 161. Электрическая схема пи-
питания и автоматического регулиро-
регулирования холодильника для животно-
животноводства с теплоотводом на воду.
200 см3 соляного раствора, 2. Из этого же рисунка видно, что тем-
температура внутри рабочего объема поддерживается схемой стаби-
Т
/Я
ю
5
60 мин. о 20 W 60 80 мин.
Рис. 162. Понижение температуры
со временем в рабочем объеме холо-
холодильника.
Рис. 163. Скорость понижения
температуры в пустом рабочем
объеме A) и заполненном 200 см3
соляного раствора B).
лизации на уровне 1.5—2.5°. За счет увеличения тепловой инер-
инерции заполненного рабочего объема период регулирования темпе-
температуры возрастает.
245

На рис. 164 дана скорость понижения температуры при запол-
заполненном 1 и пустом 2 рабочем объеме. Терморегулятор при этом
отключен. Кривая 3 показывает величину нагрева воды в баке
Т
8 9 час.
-10 L
Рис. 164. Скорость понижения температу-
температуры в заполненном водой и пустом рабочем
объеме холодильника при отключенном
терморегуляторе.
при длительной работе холодильника. Из анализа этих кривых сле-
следует, что без смены воды в баке холодильник может обеспечивать
требуемую температуру в рабочем объеме в течение 8 час.
Приводим основные паспортные данные описанного холодиль-
холодильника.
Рабочий ток
Падение напряжения в приборе ......
Потребляемая мощность
Объем рабочей камеры
Рабочая температура в камере (при темпе-
температуре воды 15—20° и воздуха 40°) . . .
Объем воды в баке
Габариты 270 X 430 X 300 мм
Вес 25 кг
6
12
84
500
—2 —
20
а
в
ВТ
см3
■+з
л
§ 2. ТЕРМОСТАТ ДЛЯ КОКСОГАЗОВОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
При производстве горючих газов методом коксования
угля требуется контролировать количество нафталина, содержа-
содержащегося в газе. Обычно для этой цели используются методы хими-
химического анализа. Однако химические реагенты, употребляемые
при этом, должны находиться при температуре 0-^—5°. По усло-
условиям эксплуатации использование для охлаждения реактивов
компрессионных машин или периодически действующих хладо-
агентов недопустимо.
Термоэлектрический метод охлаждения позволил создать ком-
компактный автономный прибор, не требующий специального обслу-
обслуживающего персонала и полностью отвечающий требованиям
эксплуатации на газовых заводах. Термостат выполнен в виде
246

10.
Рис. 165. Разрез термостата для коксогазовой
промышленности.

2206
цилиндрического сосуда (рис. 165), разделенного на три части.
В нижней части А расположены выпрямитель, питающий термо-
термобатарею, и схема стабилизации температуры. В средней части Б
расположена термоэлектрическая батарея с холодильной камерой,
и в верхней части В помещается электродвигатель мешалки.
Однокаскадная термоэлектрическая батарея 1, состоящая из
шестнадцати термоэлементов, через электроизолированные ком-
коммутационные пластины припаяна к полому цилиндру 2, в котором
проходит вода, снимающая тепло с горячих спаев термобатареи.
К холодным спаям термоба-
термобатареи также через электро-
электроизолированные коммутацион-
коммутационные пластины припаивается
рабочая камера прибора 3.
Для уменьшения градиента
температур по высоте рабо-
рабочей камеры последняя изго-
изготовлена из материала с высо-
высокой теплопроводностью — ме-
меди. Стабилизация темпера-
температуры в приборе осуществля-
осуществляется посредством специаль-
специальной схемы, датчиком которой
служит малогабаритное тем-
температурное реле 4, располо-
расположенное внутри рабочей ка-
камеры. Подлежащие охлажде-
охлаждению три склянки Дрекселя
5 помещаются в трех гнездах
в перегородке 6. Резиновые
шланги, по которым в склян-
склянки Дрекселя подается и отво-
отводится анализируемый газ,
проходят в специальных ка-
каналах, выполненных в теплоизоляции прибора в месте присое-
присоединения крышки. Теплоизоляция рабочей камеры осуществля-
осуществляется слоем пенопласта 7.
Для сокращения времени охлаждения помещенных в прибор
реактивов рабочая камера заполняется смесью воды с этиловым
спиртом, имеющей температуру замерзания около —10°. Для вы-
выравнивания температуры внутри рабочей камеры служит шнеко-
вая мешалка 8, приводимая во вращение малогабаритным электро-
электродвигателем 9. Доступ в рабочую камеру осуществляется через
крышку 10, в которой имеется система вентиляционных отверстий
для охлаждения электродвигателя мешалки.
Как указывалось выше, в нижней части прибора расположены
выпрямитель, питающий термоэлектрическую батарею, и схема
Рис. 166. Электрическая схема пита-
питания и регулирования термостата для
коксогазовой промышленности.
248

стабилизации температуры в рабочей камере. Электрическая
схема этих узлов термостата приведена на рис. 166. Силовой транс-
трансформатор Трг понижает сетевое напряжение до величины, необ-
необходимой для питания термоэлектрической батареи. Последова-
Последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включены
предохранитель Пр и гидрореле ГК, которое исключает подачу
напряжения на термобатарею при отсутствии воды в системе
съема тепла.
Во вторичной цепи си-
силового трансформатора по
схеме двухполупериодного
выпрямления включены
два сильноточных герма-
германиевых диода Дх (типа
ВГ-50-15). Для уменьши- '
ния пульсации выпрямлен- ??г„
ного тока служит дроссель %;
фильтра Др.
Схема стабилизации тем-
температур и питания элек-
электродвигателя мешалки со-
состоит из трансформатора
Тр%, диода Д2 (типа ДГЦ- - .
27), конденсатора фильтра ..*щ
С, исполнительного реле
Р (типа РМЦГ), темпера-
температурного реле ДТ и сиг-
сигнальной лампочки СЛ.
Схема стабилизации темпе-
температуры работает следую-
следующим образом: при включе- Рис. 167. Общий вид термостата для кок-
нии прибора в сеть напря- согазовой промышленности.
жение подается только на
трансформатор Трг. Вторичное напряжение этого трансформатора
через нормально замкнутые контакты температурного реле вклю-
включает исполнительное реле, которое подключает напряжение на
трансформатор Трх. При достижении в рабочей камере прибора тре-
требуемой температуры температурное реле размыкается, обесточивает
исполнительное реле и силовой трансформатор, питающий термо-
термобатарею, отключается. Сигнальная лампочка СЛ горит при работе
термобатареи и гаснет при ее отключений.
Для предохранения германиевых силовых диодов от .перегрева
они монтируются на стальном основании, охлаждаемом водой,
снимающей тепло с термобатареи. Термостат может быть запитан
от сети переменного тока с напряжением 127/220 в, которое под-
подключается к прибору через штепсельный разъем.
На рис. 167 приведен общий вид термостата.
249

Основные паспортные данные термостата для коксогазовой
промышленности.
Рабочий ток термоэлектрической
батареи 60 а
Потребляемая мощность от сети . . 150 вт
Объем рабочей камеры 3.75 л
Габариты рабочей камеры:
диаметр 160 мм
высота 210 мм
Температура в рабочей камере . . 0*Ь0.2°
Точность поддержания температуры +0.1°
Температура снимающей тепло воды 1—25°
Расход воды 100 л/час
Тип электродвигателя мешалки . . СД-60
Число оборотон мешалки 60 об. /мин.
Продолжительность непрерывной
работы прибора Не ограничена
Габариты прибора:
высота 555 мм
диаметр 248 мм
Вес 20 кг
§ 3. ХОЛОДИЛЬНИК С ОТСОЕДИНЯЕМОЙ ТЕРМОБАТАРЕЕЙ
Основным недостатком термоэлектрических холодиль-
холодильников является необходимость непрерывной работы термобатареи.
Как только отключается питание термобатареи, за счет теплового
потока через ветви термоэлементов температура в охлаждаемом
объеме начинает быстро повышаться. В то же время при практи-
практическом использовании некоторых термоэлектрических приборов
не представляется возможным осуществить непрерывное питание
термобатареи. В частности, выполнение этого условия весьма
желательно в холодильниках, предназначенных для транспорти-
транспортировки спермы сельскохозяйственных животных.
В связи с этим в Агрофизическом институте Академии сельско-
сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина был разработан термо-
термоэлектрический холодильник, удовлетворяющий поставленному
выше требованию.
Схематический разрез холодильника представлен на рис. 168.
Термоэлектрическая батарея 1 содержит шестнадцать термоэлемен-
термоэлементов 2, горячие спаи термоэлементов через тонкую органическую
пленку 3 сопрягаются с теплоотводящей системой 4, выполненной
в виде ряда радиально расположенных радиаторных пластин 5,
обдуваемых малогабаритным вентилятором 6. Холодные спаи тер-
термоэлементов через электроизоляционную пленку 7 сопрягаются
с коллектором холодных спаев 8, представляющим собой полый
цилиндр из материала с хорошей теплопроводностью. Такая си-
система, являющаяся конструктивно законченным узлом, помещается
на обычном термосе 9 объемом 2 л. При этом холодный коллектор
погружается в жидкость, налитую в термос. В том случае, когда
охлаждению подлежат какие-либо объекты, например сперма
250

сельскохозяйственных животных, она помещается в герметичные
ампулы или контейнер 10, опускаемый на дно термоса. По дости-
достижении жидкостью требуемой температуры термоохлаждающее
устройство отсоединяется от термоса и последний закрывается
теплоизолирующей пробкой. Повышение температуры жидкости
внутри термоса в этом случае будет обусловлено теплопритоком
извне, который при хорошей
откачке термоса минимален, и
количеством жидкости, залитой
в термос.
Таким образом, термоэлек-
термоэлектрический г охладитель конст-
конструктивно не связан с охлаж-
охлаждаемым объемом и испо'льзуется
только во время охлаждения
жидкости.
Рис. 168. Схематический раз-
разрез холодильника с отсое-
отсоединяемой термобатареей.
.01 г 3 4 5 6 час.
Рис. 169. Скорость понижения
температуры в холодильнике с
отсоединяемой батареей (рабо-
(рабочий объем заполнен 2 л воды).
На рис. 169 приведен график зависимости понижения темпера-
температуры 2 л воды, залитой в термос, от времени. При транспортировке
холодильника на автомашине его термоэлектрическая батарея
может быть запитана от автомобильного аккумулятора. В стацио-
стационарных условиях воздушный радиатор в системе съема тепла от
термобатареи может быть заменен жидкостным радиатором с про-
проточной водой.
Основные технические параметры охладителя следующие.
Рабочий ток 6 а
Падение напряжения на термобатарее . . . 1.66 в
Потребляемая мощность 10 вт
Напряжение питания двигателя вентилятора 12 в
Габариты:
диаметр 220 мм
высота 290 мм
251

§ 4. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СТАБИЛИЗАТОР
ТЕМПЕРАТУРЫ ФОТОРАСТВОРОВ
При проведении кинофоторабот необходимо обеспечить
постоянство температуры используемых фоторастворов. Выпол-
Выполнение этого условия даже в стационарных условиях работы свя-
связано с определенными трудностями. Тем более при работе в неста-
нестационарных, полевых, условиях, что имеет место,в экспедиционной
практике, стабилизация температуры фоторастворов представляет
собой чрезвычайно сложную задачу. Так, например, в современ-
современных проявочных машинах термостатирование фоторастворов про-
Ю В
\ \
« 2
Рис. 170. Схема устройства теплообменника тер-
термоэлектрического стабилизатора температуры фо-
торастворов.
изводится проточной водой с температурой около 18°. Однако
в южных районах в летнее время температура воды может дости-
достигать 25° и выше. В этих случаях нормальный процесс проявления
и фиксирования пленки нарушается.
Термоэлектрический стабилизатор позволяет автоматически
поддерживать температуру фоторастворов в проявочных машинах
на заданном уровне при изменении температуры проточной воды
в широких пределах.
В своей основе термоэлектрический стабилизатор является
противоточным теплообменником, в котором между каналами,
где проходят фотораствор и проточная вода, расположена термо-
термоэлектрическая батарея (рис. 170). Она состоит из двух последова-
последовательно соединенных секций 1 и 2, каждая из которых содержит
76 термоэлементов. Через электроизолированные коммутацион-
коммутационные пластины 3 термоэлектрическая батарея припаивается к го-
горячему теплообменнику 4, в который через штуцера 5 подается
проточная вода. Для улучшения теплообмена между водой и тер-
термобатареей в горячем теплообменнике помещена металлическая
спираль 6. На холодные спаи термобатареи через электроизоли-
252

рованные коммутационные пластины 7 припаиваются два холодных
теплообменника 8, в которые через штуцера 9 поступает фоторас-
фотораствор.
Фоторастворные теплообменники представляют собой медные
коробки, которые для улучшения теплообмена с фотораствором
снабжены системой ребер 10. С целью предохранения холодных
теплообменников от коррозии под влиянием фоторастворов их
внутренние поверхности посеребрены. Оба холодных теплообмен-
теплообменника состоят из четырех последовательно соединенных секций,
каждая из которых имеет восемь параллельно соединенных кана-
каналов. Такая система обеспечивает хороший теплообмен фотораствора
с термоэлектрической батареей при незначительной потере давле-
давления фотораствора, проходящего через прибор.
При монтаже прибора используются припои с различными тем-
температурами плавления, что обеспечивает удобство и технологич-
технологичность сборки. Электрическая схема питания и управления работой
термоэлектрического стабилизатора температуры фоторастворов
предусматривает совместное питание обеих термобатарей, соеди-
соединенных последовательно. В этом случае температура фотораство-
фоторастворов, проходящих в холодных теплообменниках, будет одинаковой.
Приводим основные технические данные прибора.
Рабочий ток 75 а
Падение напряжения на термобатарее (две
секции) 13.6 в
Потребляемая мощность (по постоянному току) 1020 вт
Холодильный коэффициент термобатареи 73.5%
Холодопроизводительность термобатареи . . 240 ккал./час
Теплоироизводительность термобатареи . . 465 ккал./час
Начальная температура фоторастворов (макс.) 30°
Рабочая температура фотораствора .... 18°
Расход проточной воды на термобатарею 350 л/час
Количество фотораствора, проходящего •че-
•через прибор 460 л/час
Габариты 380 X 280 X 620 мм
Для питания термоэлектрической батареи используется двух-
полупериодный выпрямитель, состоящий из силового трансформа-
трансформатора и двух сильноточных германиевых диодов. Для уменьшения
пульсации выпрямленного напряжения служит дроссель. Первич-
Первичная цепь выпрямителя питается от переменного напряжения 220 в.
Посредством переключателя на термоэлектрическую батарею мо-
может быть подан ток обратной полярности, благодаря чему батарея
будет переведена из режима охлаждения в режим нагрева. Ста-
Стабилизация температуры фотораствора осуществляется автомати-
автоматически посредством датчика температуры, помещенного в фоторас-
фотораствор, промежуточного реле и магнитного пускателя, отключаю-
отключающего или включающего питание термобатареи при отклонении
температуры фотораствора от заданного значения. Гидрореле
исключает подачу напряжения на термобатарею при отсутствии
17 Е. А. Коленко 253

воды в горячем теплообменнике. Реле и другие элементы автома-
автоматического регулирования расположены в блоке автоматики.
В том случае, когда по условиям эксплуатации температура
фоторастворов в холодных теплообменниках должна быть раз-
разной, используется другая схема питания, предусматривающая
раздельное питание термобатарей. Эта схема представляет собой
две независимые цепи питания и регулирования, аналогичные
описанной выше.
§ 5. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
ЗАСТЫВАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Одним из основных параметров, характеризующих экс-
эксплуатационные качества нефтепродуктов, в частности дизельного
топлива, является температура застывания. Современные про-
промышленные методы измерения температуры застывания основаны
на определении затухания ультразвукового импульса, создан-
Рис. 171. Схематический разрез прибора для опре-
определения температуры застывания нефтепродуктов.
ного в подлежащем исследованию нефтепродукте. Резкое затуха-
затухание ультразвука свидетельствует о начале застывания нефтепро-
нефтепродукта .
Практически работа, согласно этому методу, заключается в сле-
следующем. В специальную кювету заливается порция нефтепро-
нефтепродукта. От ультразвукового генератора в кювете создаются им-
импульсы ультразвука. В паузах между подачей прямых импульсов
производится измерение величины импульса, отраженного от
противоположной стенки кюветы. Температура кюветы и заполняю-
заполняющего ее нефтепродукта равномерно понижается и непрерывно из-
измеряется малоинерционным электрическим термометром. Когда
отраженный ультразвуковой импульс начинает затухать, что сви-
свидетельствует о застывании нефтепродукта, электротермометр фик-
254

сирует температуру внутри кюветы. Затем кювета должна быть
нагрета до температуры около 10°. Нефтепродукт сливается, кю-
кювета заполняется новой порцией продукта, и цикл измерений по-
повторяется.
К вышесказанному следует добавить, что весь цикл измерения,
слива и заполнения кюветы новой порцией нефтепродукта должен
осуществляться автоматически.
То, что термобатарея может работать как в режиме нагрева,
так и в режиме охлаждения, позволило создать прибор, отвечаю-
Самописец
Устройство
наполнения
и. слаба
Вода
Гидрореле
Термоэлектрически
* прибор
блок автоматики,
ирегулиробания
Ультразвуковой
генератор
Реберсирцющее
токооое
устройство
Рис. 172. Блок-схема прибора для определения темпера-
температуры застывания нефтепродуктов.
щий всем требованиям эксплуатации. Схематически разрез термо-
термоэлектрического прибора для определения температуры застывания
нефтепродуктов приведен на рис. 171.
Две однокаскадные термоэлектрические батареи 1, содержащие
по пять термоэлементов каждая, со стороны холодных спаев через
электроизолированные коммутационные пластины 2 с двух про-
противоположных сторон припаяны к кювете 3. Для улучшения тепло-
теплопередачи от кюветы к находящемуся в ней нефтепродукту 4 кювета
изготовлена из материала с высокой теплопроводностью — меди.
Исследуемый нефтепродукт заливается и сливается из кюветы че-
через два штуцера 5. Для уменьшения паразитных теплопритоков
к кювете по штуцерам последние имеют звенья из плексигласа 6,
которые, обладая малой теплопроводностью, образуют тепловые
мостики. Через плексигласовый штуцер 7 в кювету вводится дат-
датчик электротермометра — термистор, посредством которого ве-
ведется измерение температуры нефтепродукта. Пьезоэлектрический
вибратор 8, закрепленный на стенке кюветы, создает ультразвуке-*
255

вые импульсы и одновременно является приемником отраженных
от противоположной стенки кюветы импульсов.
Термоэлементы с горячей стороны припаяны к коллекторам 9,
в которых проходит вода, снимающая тепло с термобатареи. Под-
Подвод и слив воды производятся через штуцера 10. Для придания
термобатареям необходимой механической прочности коллекторы
Рис. 173. Общий вид прибора для определения темпера-
температуры застывания нефтепродуктов (первый вариант).
их горячих спаев залиты в эпоксидную смолу. Для уменьшения
теплопритока на кювету извне она окружена слоем пенопласта.
Блок-схема питания и автоматического регулирования работы
прибора изображена на рис. 172. Питание термоэлектрической
батареи осуществляется от двухполупериодного выпрямителя,
в котором в качестве вентилей используются сильноточные герма-
германиевые диоды.
Отраженный ультразвуковой импульс подается на блок авто-
автоматики. При начале затухания отраженного импульса блок ав-
автоматики фиксирует температуру нефтепродукта и включает ревер-
реверсирующее устройство, которое переключает полярность питающего
тока, переводя термобатареи из режима охлаждения в режим на-
нагрева. Нефтепродукт в кювете разогревается, и через определен-
определенное время автоматически включается сливное устройство, которое
256

освобождает кювету и наполняет ее новой порцией нефтепродукта.
Затем на термобатарею подается ток прямой полярности и процесс
измерения повторяется. Для исключения подачи на термобатарею
питания при отсутствии воды служит гидрореле. В блоке автома-
автоматики имеется самопишущий прибор, фиксирующий результаты
измерений.
На рис. 173 дан общий вид прибора.
Основные технические характеристики прибора приводятся
ниже.
Рабочий ток в режиме охлаждения 34 а
Падение напряжения на батарее в режиме ох-
охлаждения 0.87 в
Потребляемая мощность в режиме охлаждения ■ 29.6 вт,
Минимальная температура в рабочей камере
(при температуре воды 18°) —25°
Максимальный перепад температур д обеспечи-
обеспечиваемый прибором 43°
Время установления в кювете наименьшей
температуры 10 ыин.
Рабочий ток в режиме нагрева 4 а
Время разогрева нефтепродукта до темпера-
температуры 10° 12 мин.
Расход воды . 100 л/час
Объем рабочей камеры прибора 33 см3
Габариты 92 X ?5 X 78 мм
Вес 1168 г
Испытания термоэлектрического прибора для определения
температуры застывания нефтепродуктов на ряде нефтеперераба-
нефтеперерабатывающих заводов показали его высокие эксплуатационные ка-
качества. Тем не менее возникла необходимость создания прибора,
работающего на том же принципе, обеспечивающего более низкие
температуры застывания нефтепродуктов. В этом приборе были
использованы две двухкаскадные термобатареи с последователь-
последовательным питанием каскадов. В первом каскаде каждой из половин
термобатареи было 10 термоэлементов, во втором — 2. Кювета
с исследуемым нефтепродуктом припаивалась между термобата-
термобатареями. Нагрев кюветы до температуры разжижения нефтепродукта
производился специальным электрическим нагреваталем, закре-
закрепленным сбоку кюветы.
Для удовлетворения требованиям взрывобезопасности все под-
подходящие к кювете трубки изготовлены из текстолита с толщиной
стенки 5 мм. В связи с этим для максимального сокращения ве-
величины теплопритока к кювете по трубкам последние имели доста-
достаточную длину. Герметизация прибора с целью обеспечения взры-
взрывобезопасности продуктов осуществлялась посредством пайки и
заливки швов эпоксидной смолой. Сборка термобатареи на гоф-
гофрированных теплопереходах и использование V-образных соеди-
соединительных пластин, уменьшающих механическое напряжение
257

в батарее, позволили осуществить длительную циклическую работу
приборов в режиме нагрев—охлаждение в условиях нефтепере-
нефтеперерабатывающих заводов.
Основные технические характеристики прибора следующие.
Оптимальный ток в режиме максимального охлаж-
охлаждения 50 а
Падение напряжения при оптимальном токе в режи-
режиме охлаждения <. . . 2.27 в
Потребляемая мощность в режиме охлаждения ... 114 вт
Минимальная температура в кювете (при темпера-
температуре воды в системе теплосъема 30°) —42°
Максимальный перепад температур, обеспечиваемый
прибором 72°
Время выхода в режим максимального охлаждения 60 мин.
Рабочий ток в режиме нагрева 10 а
Падение напряжения в режиме нагрева 1.3 в
Время достижения температуры 10° 4 мин.
Объем кюветы 33 см3
Расход воды в системе теплосъема 80 л/час
Габариты:
диаметр 228 мм
высота 310 мм
Вес (без взрывозащиты) 3.7 кг
Сопротивление изоляции термобатарея—корпус . . Более
10 Мом
Общий вид собранного прибора, вынутого из взрывозащитного
колпака, приведен на рис. 174.
В 1964 г. С. С. Паллеем был предложен новый метод определе-
определения температуры застывания нефтепродуктов. Согласно этому
методу, температура застывания исследуемого нефтепродукта
определяется путем циклического воздействия давлением на ох-
охлаждаемый продукт с одной стороны кюветы с фиксацией момента
прекращения реагирования на это давление с другой стороны кю-
кюветы. Контроль за изменением давления производится посредством
микроманометров. Этот метод определения температуры застыва-
застывания значительно проще и надежнее метода ультразвукового зон-
зондирования.
В 1965 г. были разработаны два термоэлектрических прибора
для определения температуры застывания нефтепродуктов по
методу С. С. Паллея. Один из приборов предназначен для опреде-
определения температуры застывания некоторых сортов масел. Конструк-
Конструктивно он был выполнен на двухкаскадной термобатарее с последо-
последовательным питанием аналогично описанной выше. Медная кювета,
заделанная в плексиглас, механически закреплялась на коллек-
коллекторе холодных спаев второго каскада термобатареи. Теплоотводя-
щая водяная система была выполнена во фланце прибора, посред-
посредством которого осуществлялась герметизация во взрывобезопас-
ном корпусе.
258

Техническая характеристика прибора для определения тем-
температуры застывания масел приводится ниже.
Режим охлаждения
Рабочий ток 56 а
Падение напряжения 1.26 в
Потребляемая мощность 70.6 вт
Максимальная температура охлаждения (при темпе-
температуре воды в системе теплосъема +30°) .... —44.6°
Время достижения минимальной температуры ... 30 мин.
Перепад температур, обеспечиваемый прибором . . 74.6°
Режим нагрева
Рабочий ток ............. 10 а
Падение напряжения 0.76' в
Потребляемая мощность 7 вт
Время достижения температуры -\-з° . 4 мин.
Объем кюветы . 2 см3
Расход воды в системе теплосъема 80 л/час
Габариты:
диаметр 150 мм
высота 80 мм
Вес й.75 кг
Общий вид прибора для определения температуры застывания
масел с одетой теплоизоляцией без взрывобезопасного корпуса
приведен на рис. 175.
В 1965 г. был разработан еще один тип термоэлектрического
прибора для нефтепродуктов с низкой температурой застывания.
В основу определения момента застывания положен метод изме-
изменения давления. В этом приборе для обеспечения температуры
в кювете в пределах —60-^—70° были использованы две трехкас-
кадные термобатареи с последовательным питанием всех каска-
каскадов. Первый каскад термобатареи состоит из 15 термоэлементов,
второй — из 3 термоэлементов, и третий каскад образован одним
термоэлементом. Кювета плотно зажимается между третьими кас-
каскадами двух термобатарей. Для исключения замыкания питаю-
питающего батарею тока через кювету холодные коммутационные пла-
пластины третьих каскадов термобатарей посредством керамического
теплоперехода электроизолированы от кюветы. Для создания на-
надежного теплового контакта между термобатареями и кюветой
коллекторы холодных спаев третьих каскадов термобатарей сде-
сделаны из свинца. Конструкция прибора выполнена с учетом требо-
требований взрывобезопасности. Длительные испытания прибора в цик-
циклической работе по режиму охлаждение—нагрев показали его
высокие эксплуатационные качества и надежность. Следует от-
отметить, что в этом приборе, собранном на прессованных термоэле-
термоэлементах из серийно выпускаемых термоэлектрических сплавов,
удалось получить устойчивый перепад температур в 92°.
Приводим основные технические параметры трехкаскадного
259

Рис. 174. Общий вид прибора для
определения температуры застыва-
застывания нефтепродуктов (второй вари-
вариант).
Рис. 175.| Общий вид охладителя с си-
системой теплосъема для определения
температуры застывания масел.

холодильника для определения температуры застывания нефте-
нефтепродуктов.
Рабочий ток в режиме охлаждения .,. 42 а
Падение напряжения в режиме охлаждения .... 3.7 в
Потребляемая мощность в режиме охлаждения . . . 155.4 вт
Температура воды в системе теплосъема +30°
Минимальная температура в кювете, заполненной
нефтепродуктом —62°
Время достижения минимальной температуры ... 20 мин.
Рабочий ток в режиме нагрева до +10° 7 а
Падение напряжения в режиме нагрева 0.4 в
Потребляемая мощность в режиме нагрева 2.8 вт
Время разогрева охлажденной кюветы до +10° . . 5 мин.
Объем кюветы 2 см3
Сопротивление изоляции термобатареи относительно
корпуса 10 Мом
Расход воды в системе теплосъема 80 л'/час
Габариты прибора (без теплоизоляции и изрыво-
безопасного корпуса):
диаметр 135 мм
высота 160мм
Вес 5.8 кг
Рис. 176. Общий вид термоэлектрического прибора для определения
температуры застывания нефтепродуктов (третий вариант).
Общий вид трехкаскадного прибора для определения темпера-
температуры застывания нефтепродуктов со снятой теплоизоляцией при-
приведен на рис. 176.
261

§ 6. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАДИТЕЛЬ
МОЛОКА
В парном молоке содержатся бактерицидные вещества,
которые препятствуют развитию посторонних микроорганизмов.
Однако бактерицидные вещества парного молока являются актив-
активными лишь весьма непродолжительное время. При понижении
температуры молока время активного действия бактерицидных
веществ значительно увеличивается. Так, например, при темпе-
температуре 18—20° парное молоко первого сорта через 3—4 часа пере-
переходит во второй сорт, а при температуре 7—8° молоко сохраняет
качества первого сорта в течение 3 суток.
В настоящее время на молочнотоварных фермах применяются
следующие методы охлаждения парного молока:
3 ~\ \
\ 5 В 1
Рис. 177. Одна секция термобатареи охладителя молока.
1) в бассейнах с проточной водой или водой, предварительно
охлажденной льдом;
2) в двухсекционных оросительных охладителях, в первой
секции которых охлаждение производится проточной водопровод-
водопроводной водой, а во второй секции используется рассол, охлаждаемый
специальной холодильной машиной.
Первый способ охлаждения молока связан с необходимостью
заготовки и хранения льда, а второй способ требует специального
технического обслуживания холодильной установки и относи-
относительно большого времени, необходимого для достижения требуе-
требуемой температуры рассола.
Успешное развитие техники термоэлектрического охлаждения
позволило создать термоэлектрический холодильник, который
обладает рядом существенных преимуществ перед известными ме-
методами охлаждения парного молока. Термоэлектрическая батарея
холодильника состоит из 50 последовательно соединенных сек-
секций. Каждая секция (рис. 177) содержит 25 термоэлементов 1,
вмонтированных между двумя металлическими панелями 2 и 3,
являющимися коллекторами холодных и горячих спаев термоэле-
термоэлементов. Горячие 4 и холодные 5 коммутационные пластины тер-
термоэлементов через тонкий слой электроизоляции наклеены на па-
панели. Термоэлементы легкоплавким припоем напаяны на комму-
коммутационные пластины, образуя последовательно соединенную бата-
262

рею. Выполненные таким образом узлы термобатареи крепится
через тонкие резиновые прокладки 6 к системе теплоотвода 7,
представляющей собой дюралюминиевую плату, в которой имеется
ряд спирально выполненных каналов 8, по которым проходит вода,
снимающая тепло с горячих спаев термоэлементов. Крайние ком-
коммутационные пластины термобатареи присоединяются к токове-
дущим стержням 9, посредством которых отдельные секции соеди-
соединяются друг с другом последовательно. Такая конструкция термо-
термоэлектрической секции позволяет легко осуществить их монтаж
в приборе и в случае необходимости произвести замену при выходе
из строя.
Система водяного охлаждения прибора (рис. 178) имеет два
штуцера 1 и 2, через которые производится подача и слив воды.
Манометр 3 служит для контроля давления воды на входе холо-
холодильника, а термометры 4 и 5 — для измерения температуры воды
на входе и выходе из прибора. Подлежащее охлаждению молоко
через штуцер 6 поступает в щелевидную воронку 7, откуда попа-
попадает на отражатель 8, с которого тонким ламинарным слоем сте-
стекает вниз, обмывая холодные коллекторы термобатареи. Охла-
Охлажденное молоко собирается в коллектор 9 и оттуда через штуцер 10
заливается в приемные бидоны. Благодаря тому что подлежащее
охлаждению молоко движется сверху вниз, а снимающая с тер-
термобатареи теплоту вода движется снизу вверхг получается проти-
воточная система, в результате чего улучшаются эффективность
и энергетические показатели холодильника.
Электрический режим питания термоэлектрической батареи
холодильника выбран таким образом, чтобы на соседних секциях
термобатареи величина разности потенциалов была меньше, чем
потенциал, при котором начинается электролиз молока.
Таблица 23
Результаты испытания термоэлектрического охладителя молока
1гЭСХОД
молока,
л/чэс
60 I
[
100 {
1
120 I
Температура
молока, °С
вход
18.0
18.6
18.0
17.8
17.8
18.0
17.8
17.8
17.8
выход
5.4
5.2
4.3
8.0
7.7
7.5
8.6
9.1
9.3
Температура воды,
с
вход
15.0
15.3
15.2
15.0
15.0
15.8
15.1
15.0
15.2
G
выход
24.3
24.4
24.5
26.1
26.0
27.0
27.3
27.3
27.6
Холодо-
произво-
дитель-
ноеть
агрегата,
ккал./час
760
800
825 ■
980
1010
1050
1140
1080
1030
Потреб-
Потребляемая
мощность,
ВТ
780
780
780
840
840
840
870
870
870
Холо-
Холодильный
коэффи-
коэффициент
1.13
1.19
1.23
1.36
1.40
1.46
1.52
1.46
1.46
263

Результаты испытания холодильника, приведенные в табл. 23,
показывают, что при увеличении расхода молока, проходящего
через холодильник, холодопроизводительность и холодильный
коэффициент термоэлектрической батареи возрастают, однако
температура молока на выходе из прибора повышается.
Приводим основные технические параметры холодильника.
Рабочий ток 30 а
Рабочее напряжение 30 в
Потребляемая мощность (по постоянному току) 900 вт
Номинальная холодопроизводительность . . . 800 ккал./час
Холодильный коэффициент в номинальном ре-
режиме работы 1.18
Расход полупроводникового вещества
иа термобатарею 4.8 кг
Расход охлаждающей воды 450 л/час
Габариты 1170X260X200 мм
Вес (без источника питания) 45 кг
В Агрофизическом институте, где был создан описанный хо-
холодильник, продолжаются работы по созданию более рациональ-
рациональной конструкции термоэлектрического холодильника для молочно-
молочнотоварных ферм. В частности, предполагается использовать более
сильноточную термоэлектрическую батарею, что уменьшает рас-
расход полупроводникового вещества на холодильник в 2 раза при
сохранении той же потребляемой мощности. Высота холодиль-
холодильника значительно уменьшается при улучшении основных тепло-
теплотехнических параметров прибора.
§ 7. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ОХЛАДИТЕЛЬ
ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ
В летнее время пассажир железнодорожного вагона,
парохода либо самолета хочет утолить жажду прохладной водой.
Так как все транспортные средства обычно берут с собой ограни-
ограниченное количество питьевой воды, последняя с течением времени
нагревается и становится неприятной. Особенно это относится
к пассажирскому железнодорожному транспорту, где в летнее
время питьевая вода в вагоне нагревается до 35°. Кроме того,
питьевая вода на транспортных средствах должна быть кипяче-
кипяченой. Для этой цели в железнодорожных вагонах и на судах имеются
специальные устройства для кипячения сырой воды. Очевидно,
что перед употреблением кипяченая вода должна быть также осту-
остужена. Согласно установленным нормам, температура питьевой
воды не должна быть выше 15°. Обычно в классных вагонах на
железных дорогах СССР используются компрессионные охлади-
охладители воды марки ОВК-380. Эта установка не свободна от всех
недостатков, присущих охлаждающим устройствам компрессион-
компрессионного типа. Кроме того, установка ОВК-380 (и другие, аналогич-
264

П ГГ
\i—vl
Рис. 178. Схемати

ческий разрез охладителя молока.

ные ей) предназначена к эксплуатации на железнодорожном
транспорте. Использование же ее на морских судах практически
невозможно, так как она перестает нормально работать при откло-
отклонении от горизонтального положения, что неизбежно имеет место
во время качки судна.
В 1962 г. в Экспериментально-исследовательском и конструк-
конструкторском бюро (ЭИКБ)под руководством А. Л. Вайнера был разра-
разработан опытный образец термоэлектрического охладителя питьевой
воды для пассажирского железнодорожного вагона. Эта уста-
установка, получившая шифр ВО-2, состоит из секционированной
термоэлектрической батареи, холодные спаи которой оребрены и
погружены в емкость, заполненную подлежащей охлаждению
кипяченой водой. Радиаторная система горячих спаев термоба-
термобатареи заключена в специальный кожух, в котором протекает вода
из общей системы водоснабжения вагона. Вырабатываемая кипя-
кипятильником горячая вода, прежде чем поступить в рабочую емкость,
предварительно охлаждается в промежуточном теплообменнике,,
в котором протекает вода из общей системы водоснабжения.
Конструктивно водоохладитель ВО-2 оформлен в виде шкафа,
в котором расположены охлаждаемый объем воды, выпрямитель
для питания термобатареи, система автоматического регулирова-
регулирования режима работы и блокировки, а также первичный теплообмен-
теплообменник. Управление режимом работы прибора осуществляется через
выносной пульт, находящийся в служебном купе проводника ва-
вагона. Испытания термоэлектрического охладителя питьевой воды
проводились в вагоне, эксплуатирующемся в летнее время на
среднеазиатских железных дорогах СССР. Результаты испытаний
показали высокие эксплуатационные качества термоэлектриче-
термоэлектрического охладителя и его бесспорные преимущества перед компрес-
компрессионным охладителем ОВК-380.
Сравнительные параметры этих двух типов охладителей питье-
питьевой воды приведены в табл. 24.
Таблица 24
Сравнительные параметры термоэлектрического (ВО-2)
и компрессионного (ОВК-380) охладителей питьевой воды
Параметр
ОВК-380
Производительность охлажденной воды,
л/час
Время готовности, час
Потребляемая мощность от источника
электропитания, вт
Вес, кг
Габариты, мм
7
1.5
2С0
52
350Х350ХЮ00
5
3
650
86.5
520X43.0XS05
265

В ЭИКБ проводится работа по усовершенствованию водоохла -
дителя в части снижения веса и габаритов установки, а также пере-
перехода от системы жидкостного теплосъема на принудительный об-
обдув системы радиаторов горячих спаев термобатареи. Естественно,
что в морском исполнении охладитель может иметь только жид-
жидкостную систему теплосъема.

ЛИТЕРАТУРА
К главе I
Иоффе А. Ф. Энергетические применения термобатарей из полупровод-
полупроводников. Изд. АН СССР, М.—Л., 1951.
Иоффе А. • Ф. Полупроводниковые термоэлементы. Изд. АН СССР,
М.~Л., 1960.
Иоффе А. Ф., Б. Я. М о й ж е с, Л. С. С т и л ь б а н с. Об энерге-
энергетических применениях термоэлементов. ФТТ, 2, 11, 1960.
Коленко Е. А., Л. С. С т и л ь б а н с. Полупроводники в науке и
технике, т. II. Изд. АН СССР, М.—Л., 1957.
Коренблит Л. Л. К вопросу о коэффициенте полезного действия
полупроводниковых термоэлементов. Научн. зап. Черновицк. унив.,
12, 1955.
Gross E. Т. В. Efficiency of thermoelectric devices. Amer. J. Phys., 29,
11, 729, 1961.
G u с z i L. and H. J. V. T у r v e 11. The maintenance of controlled tem-
temperature differences using a thermoelectric heat pump. J. Scient. Instrum.,
41, 7, 468, 1964.
Holtan H., P. M a s u r and S. R. de G г о о t. On the theory of ther-
thermocouples and thermocells. Physica, 19, 12, 1109, 1953.
Liftman H. and B. Davidson. Theoretical hound on the thermoe-
thermoelectric figure of merit from irreversible thermodynamics. J. Appl. Phys.,
32, 2, 217, 1961.
Navarro Martines Jesus. Fundamentos de refrigeracion thermoelectrica.
Rev. cienc. apl., 17, 2, 126, 1963.
Sherman В., R. R. He ikes and R. W. TJ r e. Calculation of ef-
efficiency of thermoelectric devices. J. Appl. Phys., 3i, 1, 1—16, 1960.
Sherman В., R. R. He ikes and R. W. U r e. Calculation of ef-
efficiency of thermoelectric devices. Thermoelectric materials and de-
devices. Ed. by I. B. Cadoff ind E. Miller. N. Y., Reinhold Pub]., 1960.
К главе II
A ii p а п е т я н ц СВ. и Б. А. Ефимова. Термоэлектрические свой-
свойства и характер связи системы Bi2Te3—Sb2Te3. ЖТФ, 28, 8, 1958.
Айрапетянц СВ., Б. А. Ефимова, Т. С. Ставицкая,
Л. С. С т и л ь б а н с, Л. М. Сысоева. О подвижности электро-
электронов и дырок в твердых растворах, полученных на основе теллуридов
свинца и висмута. ЖТФ, 27, 9, 1957.
Васенин Ф. И. Термоэлектрические свойства сплавов системы висмут—
теллур. ЖТФ, 25, 3, 1955.
Васенин Ф. И. Термоэлектрические свойства сплавов системы сурьма—
теллур. ЖТФ, 25, 7, 1955.
267

В л а с о в а Р. М. и Л. С. С т и л ь б а н с. Исследование термоэлектри-
термоэлектрических свойств теллуристого висмута. ЖТФ, 25, 4, 1955.
Гордякова Г. Н., Г. В. К о к о ш, С. С. С и н а н и. Изучение
термоэлектрических свойств твердых растворов Bi2Te3—Bi2Se3. ЖТФ,
28, 1, 1958.
Кокош Г. В. и С. С. Синани. Влияние примесей на термоэлектри-
термоэлектрические свойства твердого раствора Sb2Te3—Bi2Te3. ФТТ. Сб. статей,
i, Изд. АН СССР, М.—Л., 1959.
Кокош Г. В., С. С. Синани. Термоэлектрические свойства сплавов
псевдобинарной системы Sb2Tes—Bi2Te3. ФТТ, 2, 1960.
Материалы для термоэлектрических батарей. Природа, 4, 119, 1965.
Синани С. С. и Г. И. Гордякова. Твердые растворы Bi2Tes—
Bi2Se3 как материал для термоэлементов. ЖТФ, 26, 10, 1956.
Ainsworth L. Single crystal bismuth telluride. Proc. Phys. Soc, 69B,
6, 606, 1956.
В e n e 1 H. Proprietes thermoelectriques du tellurure d'antimoine et des
solutions solides Sb2Te3—Bi2Te3. С. г. Acad. Sci.. 247, 5, 584, 1958.
Boiling G. F. Some thermal data for Bi2Tes. J. Chem. Phys., 33, 1,
305, 1960.
Cluley H. J. and P. M. P г о f f i t t. The analysis of bismuth telluri-
telluride and related thermoelectric materials. Analyst, 85, 1016, 815, 1960.
Drabble J. R., С. Н. Goodman. Chemical bonding in bismuth
telluride. J. Phys. Chem. Solids, 5, 1958.
Goldsmid H. J. The thermal conductivity of bismuth telluride. Proc.
Phys. Soc, 69B, 2, 203, 1956.
Goldsmid H. J. The thermal conductivity of bismuth telluride. Report
of the meeting on semiconductors at Rugby. London, Phys. Soc, 127.
1956.
Goldsmid H. J. The electrical conductivity and thermoelectric power
of bismuth telluride. Proc. Phys. Soc, 71, 4, 633, 1958.
Goldsmid H. J. Effects of impurities in bismuth. Proc Internat. Conf.
on semiconductor physics. Prague, Czechosl. Acad. Sci., 1015, 1960.
Goldsmid H. J. Recent studies of bismuth telluride and its alloys.
J. Appl. Phys., 32, 10, Suppl., 2198, 1961.
Harman T. C, M. J. Logan, B. Paris and E. H. L о u g h e r.
Preparation and thermoelectric properties of Bi2Te3 and all alloys with
Bi2Se3. Fall Meeting of the Electrochem. Soc. A, Sept., 1958.
Hashimoto K. Electrical properties of bismuth selenide Bi2Se3. II.
Thermoelectric power and thermal conductivity. Mem. Fac. Sci. Kyushu
Univ., B2, 5, 187, 1958.
Jain A. L. Temperature dependence of the electrical properties of bismuth-
antimony alloys. Phys. Rev., 114, 6, 1, 1959.
M а с P h e e С A. A. The development of thermoelectric materials for re-
refrigeration. Canad. Electr. Engng, 5, 2, 36, 1961.
Meyers W. С and R. T. Bate. Thermoelectric properties of Bi2Te3—
Bi2Se3. Bull. Amer. Phys. Soc, 4, 7, 409, 1959.
Miller G. R., Che-Yu Li and С W. Spencer. Properties of
Bi2Te3— Bi2Se3 alloys. J. Appl. Phys., 34, 5, 1398, 1963.
Protopopescu M., N. Petrescu. Aliaje semiconductoare pe
baza de telur pentru frigidere termoelectrice. Studii si cercetari meta-
lurgie. Acad. RPR, 2, 1, 33, 1962.
Protopoposcu M., St. ZamTrca, N. Petrescu. Determina-
rea caracferisticilor frigoelementelordin dliaje semiconductoare cu
baza de telur. Studiisi cercetari metalurgie. Acad. RPR, 8, 3, 255, 1963.
R о d о t H. et M. G. W e i 1 1. Variation aves la temperature des proprietes
thermoelectriques des solutions solides Bi2Te3/Sb2Te3. J. phys. et ra-
radium, 21, 5, 502, 1960.
Roland W. Theory of materials for thermoelectric and thermomagnetic
devices. Proc. IEEE, 51, 5, 699, 1963.
268

Smirous К. and L. S t о u г а с. Feste Losungen von Bi2Te3 und Sb2Te3
als pl-eitende Werkstoffe fiir Halbleiterthermoelemente. Z. Natur-
forsch., 14a, 9, 848, 1959.
S r e e d h a r A. K., N. H. G о d h w a n i, R. K. Purohit and
W. N. В о г 1 e. Development of semiconductor materials for thermo-
thermoelectric cooling. J. Inst. Telecommun. Engrs, 10, 6, 207—211, 1964.
S t о u r a 6 L. Influence of ageing on change in electrical properties of se-
semiconducting systems of Bi2Te3—Bi2Ses. Czechosl. J. Phys., 9, 6, 717,
1959.
Thermoelectric material is alloy of bismuth telluride. Electron.
Design, 9, 18, 25, 1961.
Wolfe R. and I. H. W e r n i с к. Thermoelectric devices and materials.
Bell Lab. Rec., 40, 6, 190, 1962.
Wright D. A. Some physical properties of bismuth telluride. Semiconduc-
Semiconductors and phosphors. Proc. Internat. Colloquium 1956, Garmisch Par-
tenkirchen. N. Y., Interscience Publ., 477, 1958.
К г л а в ё III
Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых
термоэлектрических устройств. Физматгиз, М., 1962.
Коленко Е. А., Л. С. С т и л ь б а н с. Полупроводники в науке и
технике, II, гл. 17. Изд. АН СССР, М.—Л., 1958.
М о й ж е с Б. Я. Влияние температурной зависимости параметров ма-
материалов на эффективность термоэлектрических генераторов и холо-
холодильников. ФТТ, II, 4, 1960.
С т а в и ц к а я Т. С, Л. С. С т и л ь б а н с. О влиянии вырождения на
эффективность термоэлементов. ЖТФ, 28, 3, 1958.
Стильбанс Л. С. О выборе соотношения сечений ветвей полупровод-
полупроводниковых термоэлементов. ЖТФ, 28, 2, 1958.
К г л а в е IV
Bean Т. Е. Thermoelectric cooling. Industr. Electronics, 1, 2, 110, 1962.
В 1 a 11 F. T. On the possibility of thermoelectric refrigeration at very low
temperatures. Phil. Mag., 7, 76, 715, 1962.
В 1 a t t F. T. Peltier cooling below 4° K. High Magnet. Fields, 4, London,
John Wiley and Sons Inc., Cambridge, Mass., Technol. Press, 518,
1962.
Cuff K. F., R. B. Horst, J. L. Weaver, S. K. Hawkins,
C. F. К о о i " and G. M. E n s 1 о w. The thermomagnetic figure
of merit and Ettingshausen cooling in Bi—Sb alloys. Appl. Phys. Lett.,
2, 8, 145, 1963.
Delves R. T. The prospects for Ettingshausen and Peltier cooling at low
temperatures. Brit. J. Appl. Phys., 13, 9, 440, 1962.
E r 11 M. E., P. W. H a s e 1 d e n, H. I. G о 1 d s m i d. Thermomagne-
Thermomagnetic effects in bismuth—antimony alloys. Rept Internat. Conf. Phys.
Semiconductors. Exeter, 1962, London, Inst. Phys. and Phys. Soc,
777, 1962.
Goldsmid H. J. Thermoelectric and thermomagnetic cooling. Industr.
Electr., 1, 8, 441, 1963.
Goldsmid H. J. Thermoelectric and thermomagnetic cooling. Industr.
Electr., 1, 9, 1963.
Goldsmid H. J. Thermoelectric refrigeration. Plenum Press, N. Y.,
1964.
Goldsmid H. J. and D. E. L а с k 1 i s о n. The thermomagnetic fi-
figure of merit of reheated pyrolvtic graphite at liquid helium tempera-
temperature. Brit. J. Appl. Phys., 16, 573, 1965.
18 E. А. Коленко 269

Griffith M. V. Thermoelectric refrigeration. Advancement Sci., 18,
72, 135, 1961.
H а г m a n T. C. and J. M. H о л i g. Theory of galvano-thermomagnetic
energy conversion devices for refrigerators and heat pumps. J. Appl.
Phys., 33, 3188, 1962.
Kooi C.F., R. B. Horst, K. F. Cuff, S. R. Hawkins. Theory
of the longitudinally isothermal Ettingshausen cooller. J. Appl. Phys.,
34, 6, 1735, 1963.
Koxodriejczak J., L. Sosnowski, Zawadzkiw. A theory
of thermoelectric and thermomagnetic effects., Rept Internat. Conf.
Semiconductors. Exeter, 1962, London, Inst. Phys. and Phys. Soc,
94, 1962.
New cooler uses thermomagnetic effects. Electronics, 36, 84, 1963.
O'Brien B. J., С S. Wallace. Ettingshausen effect and thermo-
thermomagnetic cooling. J. Appl. Phys., 29, 7, 1010, 1958.
Smith G. E. and R. Wolfe. Thermoelectric properties of bismuth—
antimony alloys. J. Appl. Phys., 33, 841, 1961.
Theory of the Ettingshausen cooler. J. Appl. Phys., 33, 5, 1800, 1962S
Thermoelectric materials in magnetic fields. Radio and Electron.
Compon., 3, 6, 507, 1963.
V a r d а В., D. Reich, J. M a d i g a n. Thermoelectric and thermo-
thermomagnetic heat pumps. J. Appl. Phys., 34, 12, 3430, 1963.
Wolfe R., G. Smith. Semimetalls as thermoelectric materials. Se-
micond. Prod., 6, 4, 1963.
Wolfe R., G. E. Smith, S. E. H a n s с о. Negative thermoelectric
figure of merit in a magnetic field. Appl. Phys. Letters, 2, 8; 157, 1963.
Wright D. A. Ettingshausen cooling in pyrolytic graphite. Brit. J. Appl.
Phys., 14, 329, 1963.
К главе V
Бурштейн А. И. О регенеративной схеме термоэлектрического ох-
охлаждения. ФТТ, 2, 7, 1960.
Бурштейн А. И. Физические основы расчета полупроводниковых
термоэлектрических устройств. Физматгаз, М., 1962.
В и х о р е в Г. А., В. А. Н а е р. Влияние теплоотдачи на характери-
характеристики полупроводниковых термобатарей для холодильников и тепло-
тепловых насосов. ФТТ, 1, 6, 1959.
К у р ы л е в Е. С. О режимах работы полупроводниковых охлаждающих
устройств. Холодильн. техн., 2, 1963.
Н а е р В. А. Расчет нестационарных режимов полупроводниковых хо-
холодильников и нагревателей. Холодильн. техп., 1, 1962.
Н а е р В. А., С. А. Р о ж е н ц о в а. О проектировании полупроводни-
полупроводниковых охладителей и нагревателей потоков жидкости. Инж.-физ.
журн., 5, 11, 1962.
Н а е р В. А., С. А. Р о ж е н ц о в а. О проектировании полупроводни-
полупроводниковых термобатарей для холодильников. ФТТ, 3, 4, 1961.
Стильбанс Л. С. О выборе соотношения сечений ветвей полупровод-
полупроводниковых термоэлементов. ЖТФ, 28, 2, 1958.
Стильбанс Л. С, Н. А. Федорович. О работе охлаждающих
термоэлементов в нестационарном режиме. ЖТФ, 28, 3, 1958.
Черпаков П. В. О тепловой инердии термоэлементов. Ипж.-физ. журн.,
5, 9, 1962.
Щербина А. Г. Расчет термобатарей в нестационарном режиме. Сб.
«Термоэлектрические свойства полупроводников», Изд. АН СССР,
М.— Л., 1963.
Alfonso N. Transient and steady state theory of semiconductor thermo-
thermoelectric cooling cells. Thesis, Carnegie Institute of Technology, Pit-
tsburh, 1959.
270

Dorr W. Das Frigistor-Diagram. Electron. Rundschau, 14, 4, 156, 1961.
Gray P. E. The dynamic behavior of thermoelectric devices. N. Y., 1960.
G г о s b у С. R., M. H. Norwood, B. R. West. The effects of heat
transfer on optimum Peltier heat-pumping. Paper. Amer. Soc. Mech.,
HT-11, 7, 1962.
Heinicke J. B. The design and performance of a thermoelectric refri-
refrigerator. Amer. Soc. Refrig. Engrs Annual Meeting, New Orleans, Dec.
1958.
J e p s о n R: M. and G. G. M e s s i с к. Designing low-current thermoe-
thermoelectric coolers. Electronics, 34, 16, 58, 1961.
К а у e J. and I. T. S a 1 d i. Quantitative design of a thermoelectric coo-
cooler. Direct conversion of heat to electricity. Ed. J. Kaye and J. A. Welsh.
N. Y., Mass. Inst. Techn., 21, 1—14, 1960.
Pritchard W. Maurice. The coefficient of performance of thermo-
thermoelectric cooling devices. Proc. IEEE, 52, 4, 442, 1964.
Vought R. H. Design calculations for Peltier cooling. Thermoelectric
materials and devices. Ed. by I. B. Cadoff and E. Miller. N. Y., Rein-
hold Publ., 250, 1960.
Watanable A. Unified performance calculations for thermoelectric
cooling. J. Appl. Phys., 33, 1, 130, 1962.
Watson P. С Graphical methods of solving thermoelectric-pump problems.
Electro-Technol., 71, 6, 74, 1963.
Z i t о Ralph, Jr. Dynamic behavior of a thermoeJectric heat pump. Electro-
Technol., 71, 2, 64, 1963.
К главе VI
Коленко Е. А. Способ устранения механических напряжений в термо-
термобатарее. Авторское свидетельство, № 13125, Бюлл. изобр., 10, 1964.
Коленко Е. А. Бельгийский патент № 646.558, 1964.
Коленко Е. А. Французский патент № 1.390.732, 1964.
Я м о н о Масару, К о м а ц у Ваканти. Термоэлектрический элемент.
Японский патент № 5779, 1962.
Clingman W. H. New concepts in thermoelectric device design. Proc.
IRE, 49, 7, 1155, 1961.
Clingman W. H. New concepts in thermoelectric devices design. IRE
Intern. Conv. Rec., 9, 6, 174, 19Б1.
Neuartige Halbleiterkiihlelemente, Techn. Rundschau, 53, 20, 7, 1961.
Neuartige Halbleiterkiihlelemente. Electrotechn. und Maschinenbau,
78, 14, 460, 1961.
N e u e s Thermoelement mit einem Aussendurchmesser von 0.34 mm. Arch.
techn. Messen. 309, R140, 1961.
Nouveaux elements thermo-reftigerateurs par effect Peltier. R. С Com-
posante electron. Piece detachee, 46, 7, 1963.
Rice Warren, Flam Eric. Design data for semiconductor thermoelectric
devices. Electro-Technol., 71, 3, 132, 1963.
Swanson B. W. Refrigerator heat-leak for sandviched thermoelectric
elements. Westinghouse Res. Repts. 8-0529-R27, 1964.
Thermoelectric modules work on low current. Electronics, 37, 22,
146, 1964.
U n i t a termoelettrica molto piccola. Elettronica, 10, 4, 183, 1961.
К главе VII
Ануфриев В. М., Г. С. Б е л и ц к и й. Теплопередача и аэродина-
аэродинамическое сопротивление трубчатых поверхностей в поперечном по-
потоке. Энергоиздат, М., 1948.
Г у х м а н А. А. Физические основы теплопередачи. Энергоиздат, М.,
1934.
18* 271

Дульнев Г. Н. Теплообмен в радиоэлектронных устройствах. Гос-
энергоиздат, М.—Л., 1963.
Дульнев Г. Н., Н. Н. Т а р н о в с к и й. Теплопередача радиоаторов
в условиях естественной конвекции. Инж.-физ. жури., 2, Изд.
АН БССР, Минск, I960.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина, Б. Г. Юрьев. Метод отвода
тепла от полупроводниковых охлаждающих приборов. ЖТФ, 28
11, 1958.
Конвективный и лучистый теплообмен. Изд. АН СССР, М.—Л.,
1960. <
Кондратьев Г. М. Регулярный тепловой режим. ГТТИ, Л.—М.,
1954.
Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. Машгиз, М., 1957.
Кутателадзе С. С, В. М. Баршанский. Справочник по тепло-
теплопередаче. Госэнергоиздат, М., 1958.
К э й с В. М. Игольчатые поверхности для теплообмена. Пер. с англ. ЦКТИ,
М., 1956.
М а к- А д а м с В. Теплопередача. ОНТИ, Л.—М., 1936.
Михеев М. А. Основы теплоотдачи. Госэнергоиздат, М., 1956.
Петухов Б. С. Опытное изучение процессов теплопередачи. Госэнерго-
Госэнергоиздат, М., 1952.
Рамадан А. М. Интенсификация теплоотдачи в устройствах термоэлек-
термоэлектрического охлаждения. Автореф. дисс, Лен. технол. инст. холод.
промышл., 1963.
Тулин С. Н. Теплоотдача и сопротивление в пучках трубок с проволоч-
проволочным оребрением. Теплоэнергетика, 3, 1958.
Jacoby J. H. Long-pin approach to dissipator design. Electronics, 37,
24, 1964.
К a t z A. Cooling high-power equipment by forced air convection. Electro-
Electronics, 37, 25, 1964.
К главе VIII
Аккумуляторы, элементы и батареи. Сб. гос. стандартов, Стандарт-
гиз, М., 1965.
Богословский А. С. Силовые полупроводниковые выпрямители.
Воениздат, М., 1965.
Воронин А. Н. Полупроводниковые термоэлектрогенераторы. Изд.
Лен. дома научно-техн. пропаганды, 1957.
Девонисский В. Ю. Выпрямители на германиевых диодах. Воениз-
Воениздат, М., 1965.
Журавлев А. А., К. Б. М а й з е л ь. Преобразователи постоянного
тока на транзисторах Изд. «Энергия», М.—Л-, 1964.
Захаров Ю. К. Преобразователи напряжения на полупроводнико-
полупроводниковых триодах. Воениздат, М., 1964.
Иосельсон Г. Л. и А. С. Дзюба. Терморегулятор для систем на
полупроводниковых термоэлементах. Измерит, техн., 5, 23, 1962.
Кремниевые управляемые вентили-тиристоры. Технический спра-
справочник. Пер. с англ. Изд. «Энергия», М.—Л., 1964.
Куликов И. Г. Аккумуляторы. Оборонгиз, М., 1958.
Наер В. А., В. А. Семеню к. Влияние пульсаций тока на характе-
характеристики полупроводниковых термоэлементов охлаждающих и нагре-
нагревающих устройств. Изв. высш. учебн. завед., Энергетика, 6, 31, 1963.
Орлов В. А. Малогабаритные источники тока. Военное изд. Мин. Обо-
Обороны СССР, М., 1965.
Полупроводниковые выпрямители. Сб. матер. ЦБТИ. НИИ ЭП,
М., 1959.
272

Помазанов И. Н., П. Л. Тихомиров. Полупроводниковый
тепловой насос на принципе комбинированного использования термо-
термоэлектрических эффектов. Изв. Лен. электротехн. инст., 51, 1963.
Преобразовательные устройства в электроэнергетике. Сб. ста-
статей. Изд. «Наука», М., 1964.
Селектор Я. 3. Германиевые выпрямители. ЦБТИ, М., 1958.
Селеновые выпрямители (основные технические данные). ЦБТИ,
М., 1958.
Силовая полупроводниковая техника. Сб. ВНИИЭМ, М., 1965.
Ю д и ц к и и СБ. Германиевые и кремниевые силовые полупроводнико-
полупроводниковые выпрямители. ЦБТИ НИИ ЭП, М., 1958.
Corey P. D., A. L. Woflford. A controlled rectifier static inverster for
intermittent aircraft duty. AIEE Fall General Meeting, CP 60—130b,
1960.
Krieser T. P. Thermoelectricity power supply and control. IEEE In-
ternat. Convent. Rec., ii, 3, 1963.
К г л а в е IX
Алатырцев Г. А., Ю. Н. М а л е в с к и й. Коммутация термоэле-
термоэлементов на основе РЬ—Те и Bi2Te3—Sb2Te3. В кн.: Теплоэнергетика,
вып. 3. Изд. АН СССР, М., 1961.
Ангерер Е. Лабораторная техника. ОНТИ, М.—Л., 1934.
Архангельский Б. А. Пластические массы. Судпромгиз, М.—Л.,
1961.
Воронин А. Н., Р. 3. Гринберг. Способ брикетирования ветвей
термоэлемента с последующей термообработкой из сплавов Bi2Te3—
Sb2Tes и Bi2Tes—Bi2Ses. Сб. «Термоэлектрические свойства полупро-
полупроводников», изд. «Наука,» М.—Л., 1963.
Воронин А. Н., Р. 3. Гринберг, А. Н. Савельева. Пре-
Предохранение отрицательной ветви термоэлемента от «старения». Сб.
«Термоэлектрические свойства полупроводников», изд. «Наука»,
М.—Л., 1963.
Гончаренко К. С. Краткий справочник гальванотехника*. Машгиз,
М., 1955.
Дринберг А. Я., А. В. Г у р е в и ч, Е. С. Тихомиров. Тех-
Технология неметаллических покрытий. Госхимиздат, Л., 1957.
Иванов А. А. Электровакуумная технология. Госэнергоиздат, М.—Л.,
1944.
К о л е н к о Е. А., А. Г. Т а у б е р, А. Г. Щербина. Способ сопря-
сопряжения каскадов в многокаскадной термоэлектрической батарее. Ав-
Авторское свидетельство № 123.215, Бюлл. изобр., 20, 1959.
К о л е н к о Е. А., А. Г. Щербина. Британские патенты: № 849.976,
1959; № 878.481, 1960; № 909.750, 1960.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Патенты США; № 3.097.425,
1963; № 3.045.341, 1960.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Патент ФРГ № 1.152.002, 1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Индийские патенты: № 76.574,
№ 79.151, № 76.576, 1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Бельгийские патенты: № 602.815,
№ 609.929, № 601.176, № 602.813, 1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Египетские патенты: № 3422,
№ 4204, № 3588, 1961.
Коленко Е. А. А. Г. Щербина. Мексиканский патент № 64162,
1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Французские патенты:
№ 1.292.472, 1962; № 1.304.277, 1961; № 1.289.705, 1962.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Канадские патенты: № 656.195,
1963; № 657.039, 1963; № 663.333, 1963.
273

Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Итальянские патенты: № 653. 701,
1963; № 680.850, 1961; № 655.803, 1963; № 645.457, 1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Аргентинские патенты: № 130.110,
1962; № 129.262, 1962; № 132.330, 1963.
Коленко Е. А., В. Г« Юрьев. Вакуумные свойства эпоксидной
смолы. ЖТФ, 28, 10, 1958.
Финогенов А. Д. Гальванический метод коммутации термоэлементов.
Сб. «Термоэлектрические свойства полупроводников», изд. «Наука»,
М.— Л., 1963.
Э с п е В., М. К н о л ь. Технология электровакуумных материалов.
Оборонгиз, М., 1939. '.
Ямпольский А. М. Гальванотехника. Машгиз, М., 1952.
Beverly Vincent Haba. Method and materials for obtaining low resis-
resistance bonds to bismuth telluride (RCA). Патент США № 3.017.693,
1963.
H 8 n 1 e i n W. Die technologischen Problem bei der Anwendung des Pel-
tiereffekts. Kaltetechnik, 12, 5, 137. 1960.
H e a t e n A. G. Thermoelectrical engineering. Proc. IEE, B109, 45, 223,
1962.
К главе Х
Коленко Е. А. Высоковакуумная ловушка с термоэлектрическим ох-
охлаждением. ПТЭ, 3, 1957.
Коленко Е. А. Патент Англии № 901.890, 1959.
Коленко Е. А. Индийский патент № 76740, 1961.
Коленко Е. А. Бельгийский патент № 604.959, 1961.
Коленко Е. А. Египетский патент № 4275, 1961.
Коленко Е. А. Итальянский патент № 647.731, 1961.
Коленко Е. А. Аргентинский патент № 130.202, 1962.
Коленко Е. А. Французский патент № 1.290.025, 1962.
Коленко Е. А. Патент США № 3.109.290, 1963.
Коленко Е. А., А. Г. Т а у б е р, В. Г. Юрьев, А. Г. Щ е р-
б и н а. Термоэлектрическая высоковакуумная ловушка для насоса
Н-5. ФТТ. Сб. статей, 1, Изд. АН СССР, М.—Л., 1959.
Коленко Е. А., А. Г. Т а у б е р, В. Г. Юрьев, А. Г. Щер-
Щербина. Термоэлектрическая высоковакуумная ловушка для насоса
ЦВЛ-100. Сб. ЦНИТЭИН, тема 31, № П-60-11/1. I960.
Jean R., R. L i о t. Pieges a effects Peltier. Vide, 17, 98, 186, 1962.
Poslawski R. P. Thermoelectric cooling improves baffles for vacuum
pumps and systems. Canad. Electr. Engng, 5, 2, 1961.
Poslawski R. P. Developing a thermoelectric baffle. Electron. Ind.,
21, 5, 106, 1962.
Reich G.. von, H. G. N б 11 e r. Partialdruckanalysen des Enddruckes
von Oldiffusionspumpen mit Omegatron. Z. angew. Phys., Heft 12, 1957.
Thermoelectric vacuum baffle uses semiconductor elements. Elec-
Electronics, 33, 51, 110, 1960.
К главе XI
Коленко Е. А., X. В. Протопопов, Д. Г. Флейшман,
В. Г. Юрьев. Термоэлектрическое охлаждение фотоумножителей.
ПТЭ, 3, 140, 1959.
Mount Т. Е.. I. К. Hughes. Peltier cooler operates on low current.
Electronic Design, 9, 4, 10, 1961.
Peltier cooling advanced. Missiles and Rockets, 8, 7, 23, 1960.
Robertson J. The designs minute ТЕ heat pump. Electron. News, 7,
310, 53, 1962.
274

S t a n d o n Sydney. Thermopile held advancing IR detection capabilities.
Electron. News, 8, 391, 1963.
К главе XII
Иванов А. М., Е. А. К о л е н к о, И. X. Полтинников. Тер-
Термоэлектрический криоэкстрактор катаракта. Авторское свидетельство
№ 126.629. Еюлл. изобр., 10, 1964.
КоленкоЕ. А. Микротомный столик с термоэлектрическим охлаждением,
Мед. промышл. СССР, 3, 1959.
К о л е н к о Е. А., А. А. И с а а к я н, А. Г. Щербина. Термоэлект-
Термоэлектрический прибор для температурных раздражений кожи. Физиол.
журн., 65, 11, 1959.
К о л е н к о Е. А., И. X. Полтинников. Интеркапсулярная экс-
экстракция катаракты полупроводниковым аппаратом. Офтальмолог,
журн., 8, 1964.
Price D. L., I. Levin. New biological warm stage. Amer. J. Trop.
Med. and Hyg., 10, 5, 755, 1961.
К главе XIII
Валитов Р. А., А. И. Александров. Термостат с применением
полупроводников. Измерит, техн., 1, 1957.
Иорданишвили Е. К., Л. Г. Т к а л и ч. Полупроводниковый
термостат для автогенераторов. ЖТФ, 27, 6, 1959.
Коленко Е. А., В. А. К у р и л о в, А. Г. Та-убер, А. Г. Щер-
Щербина. Электронный ультратермостат. Сб. ЦНИТЭИН, 4, 1958.
Beaubien D. J. Thermoelectric chamber stabilizes p-c boards. Electro-
Electronics, 35, 33, 64, 66, 68, 1962.
Fay L. F. Thermoelectric junction cools transistors for temperature testing.
Electron. Design, 8, 23, 1961.
Fortier I. R., C. S. Thompson. Cooling transistors with thermo-
thermoelectric elements. Tunnel-diode and semiconductor circuits. New York—
Toronto—London, Me Graw-Hill Book Co. Inc., 276, 1963.
Goldsmid H., Hilbourne. Transistor operation aided by thermo-
thermoelectric refrigeration. Brit. Communs Electronics, 7, 26, 1961.
J e a n e s R. V., K. E. C. Pit t. Thermoelcctrically cooled probe for
the determination of semiconductor type. J. Scient. Instrum., 38, 1,
33, 1961.
L a u t z G. Thermoelektriscbe Temperaturstabilisierung elektrischer Schalt-
element. ETZ, A80, 21, 741, 1959.
Little E. P. Cooling of avionic equipment by thermoelectric methods.
IEEE Trans. Aerospace, 2, 2, 702, 1964.
N a g a t a Minoru, Abe Z e n e m о n. Thermoelectric elements for circuit
cooling. Electronics, 34, 41, 54, 1961.
N a g a t a Minoru, Abe Z e n e m о n. Thermoelectric elements for circuit
cooling. Tunnel-diode and semiconductor circuits. N. Y.—Toronto-
London, 1964.
Stubstad W. R. The application of thermoelectric spot cooling*to elec-
electronic equipment. IRE Trans., PEP-5, 4, 22, 1961.
Thermoelectric cooler module application consideration. Electro-
mech. Design, 8, 3, 54, 1964.
Thermoelectric cooling improves noise figure. Electronics, 33, 44,
86, 1960.
Uenahara M., R. Wolfe. Parametric amplifier with thermoelectric
refrigeration. IRE Trans., ED-8, 6, 521, 1961.
275

К главе XIV
Воронин А. Н., Э. А. Ш е р, А. Г. Щербина. Прецизионный
полупроводниковый нуль-термостат. ПТЭ, 4, 1961*
Воронин А. Н., А. Г. Щербина, В. Н. Р ы б а л ь ч е н к о. По-
Полупроводниковый гигрометр. Сб. ЦНИТЭИН, 11, 1961.
Гольцман М. И. Основы методики аэрофизических измерений, ГИТТЛ,
М., 1950.
Д з ю б а А. С, П. Б. Кантор. Полупроводниковый термостат для
проверки термометров. Измерит, техн., 1, 1959.
К м и т о А. А., А. А. Л е д о н о в и ч. Лаборатбрный конденсацион-
конденсационный гигрометр. Заводская лабор., 4, 1960.
Коленко Е. А. Британский патент № 884.570, 1959.
Коленко Е. А. Патент ФРГ № 1.143.341, 1961.
Коленко Е. А. Индийский патент № 76.573, 1961.
Коленко Е. А. Бельгийский патент № 602.948, 1961.
Коленко Е. А. Египетский патент № 4233, 1961.
Коленко Е. А. Итальянский патент № 646.949, 1961.
Коленко Е. А. Аргентинский патент № 134.099, 1963.
Коленко Е. А. Канадский патент № 678.748, 1964.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Британский патент № 898.510,
1960.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Французский патент № 1.286.372,
1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Индийский патент № 76.575,
1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Бельгийский патент № 602.814,
1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Египетский патент № 4400» 1961.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Итальянский патент № 646.023,
1961.
Коленко Е. А., В. Г. Юрьев. Гигрометр с термоэлектрическим
охлаждением. ПТЭ, 4, 1959.
Коленко Е. А. Новые термоохлаждающие приборы. Сб. тр. I и II совещ.
«Термоэлектрические свойства полупроводников», Изд. АН СССР,
М.—Л., 1963.
Коленко Е. А. Полупроводниковый термостат для лабораторных целей.
Вестн. АН СССР, 10, 1963.
Коленко Е. А. Термоэлектрический конденсационный гигрометр.
Заводская лабор., 9, 1965.
К о л о м о е ц П. В., Л. С. С т и л ь б а н с, Н. П. Фатеев. Измере-
Измерение влажности воздуха с помощью полупроводниковых термопар.
ЖТФ, 24, 3, 1956.
Фатеев Н. П. Новый автоматический конденсационный гигрометр.
Тр. Гл. геофиз. обсерв., 83, 1958.
Фатеев Н. П. Стационарный гигрометр точки росы. Тр. Гл. геофиз.
* обсерв., 103, 1960.
Хасимото Акира, Цунако Macao, Хитати К э н д и, Кабусики
Кайся. Термоэлектрический холодильник с прибором, контроли-
контролирующим температуру. Японский патент: № 68ВО, № 13591, 1961.
С г о w 1 е у I. С. W. A cooled microscope stage using semiconductor ther-
thermoelectric cooling. J. Scient. Instrum., 40, 6, 330, 1963.
Gerthsen P., J. A. A. G i 1 s i n"g, M. Til. Ein automatisch arbei-
tendes Taupunktgerat mit Peltier-Kiihlung. Philips techn. Rundschau,
27, 7, 211, 1959/60.
L a n d а у I. Thermoelectric thermostat. Rev. Scient. Instr., 33, 9, 1004,
1962.
R a m e г t Bohumil. Mai у thermoelectricky termostat. Sdelovaci techn.
11, 7, 269, 1963.
276

Thermoelectrisches Hydrometer. Radio und Fernsehen, 11, 9,
278, 1962.
К главе XV
Воронин А. Н., С. Г. Платонова, Е. Г. Покорны й;
Э. М. Ш е р. Термоэлектрический бытовой холодильник емкостью
20 л. Сб. «Термоэлектрические свойства полупроводников». Изд.
АН СССР, М.—Л., 1963.
Коленко Е. А., А. Г. Щербина. Термоэлектрический бытовой
холодильник. Лен. промышл., 1, 57, 1958.
Лукомский С. М. Применение полупроводников для отопления и
охлаждения квартир. Жилищн. строит., 10, 1959.
Энергоснабжение и кондиционирование воздуха на транспорте.
Матер, конфер. Изд. «Зинатне», Рига, 1965.
Andersen J. R. Thermoelectric air conditioner for submarines. RCA
Rev., 22, 2, 292, 1961.
E 1 f v i n g Th. M. Konstruktion und Betrieb eines luftgekiihlten thermo-
elektrischen Kuhlschranks. Kaltetechnik, 14, 3, 76, 1962.
Hudelson G. D. Thermoelectric air conditioning of totally enclosed
environments. Electr. Engng, 79, 6, 460, 1960.
О 11 L. H. Electronic cooling and heating. Radio Electronics, 33, 1, 26, 1962.
S i с k e r t R. G. A thermoelectric refrigerating system submarines. Electr.
Engng, 7Й, 5, 364, 1960.
Thermoelectric air conditioning system for submarines. Progress
Reports of Bureau of Ships from Research and Development Deviation
Carrier Corporation, N. Y.
К главе XVI
Бардеева С. П. < И. А. Иоффе, М. А. Каганов, А. Ф. Чуд-
Чудно в с к и й. Полупроводниковые установки для охлаждения молока.
Механиз. и электрифик. соц. сельск. хоз., 5, 1961.
Бардеева СП., И. А. Иоффе, М. А. Каганов, А. Ф. Чуд-
Чудно в с к и й. Полупроводниковый охладитель потоков жидкости.
Сб. ЦНИТЭИН, 11, 1962.
Каганов М. А. Полупроводниковые установки для охлаждения молока.
Вестн. с.-х. науки, 3, 1961.
Каганов М. А., И. С. Л и с к е р, И. Г. Мушкин и А. Ф. Чуд-
н о в с к и й. Полупроводниковый термостат для хранения и тран-
транспортировки спермы с.-х. животных. Бюлл. научно-техн. информ.
по агрофизике, 4, 1958.
Каганов М. А., И. С. Л и с к е р, И. Г. Мушкин и А. Ф. Ч у д-
в о в с к и й. Полупроводниковый термостатированный холодиль-
холодильник. Бюлл. научно-техн. информ. по агрофизике, 5—6, 1959.
Коленко Е. А. Новые термоохлаждающие приборы. Сб. «Термоэлектри-
«Термоэлектрические свойства полупроводников», Изд. АН СССР, М.—Л., 1963.
Коленко Е. А., Г. Р. Брехт, В. Р. П а р а д е н к о, П. Г. Ива-
Иванов. Автоматический прибор циклического действия для определе-
определения температуры застывания топлив. Авторское свидетельство
№ 151865. Бюлл. изобр., 22, 1962.
Коленко Е. А., М. А. Каганов, И. Г. Мушкин, А. Ф. Чуд-
Чудно в с к и й. Полупроводниковый холодильник для животноводства.
Бюлл. научно-техн. информ. по агрофизике, 4, 1958.
Коленко Е. А., И. Г. Мушкин, А. Г. Т а у б е р, А. Г. Щер-
Щербина. Малогабаритный термоэлектрический холодильник для жи-
животноводства. Авторское свидетельство № 122.077. Бюлл. изобр.,
16, 1959.
277

К о л е п к о Е. А., А. Г. Т а у б е р, А. Г. Щербина. Термоэлектри-
Термоэлектрический прибор для измерения теплоемкости жидкости. Авторское
свидетельство № 122.900. Бюлл. изобр., 19, 1959.
Л и с к е р И. С. и А. Ф. Ч у д п о в с к и и. Адиабатический полупро-
полупроводниковый холодильный термостат. Бюлл. научно-техп. ипформ.
по агрофизике, 7, 1960.
Мартыновский В. А., В. А. Н а е р. Полупроводниковый водо-
охладитель. Холодильп. техн., 4, 1960.
Мартыновский В. А., В. А. Н а е р. Выпарная установка. Холо-
Холодильп. техн., 4, 1960. <
Н а е р В. А. Исследование выпарной установки. ФТТ, 8, 1959.
Наер В. А. и С. А. Роженцова. Полупроводниковый охладитель
жидкости. Холодильп. техн., 1, 1963.
П о м а з а п о в ' И. Н. и П. Л. Тихомиров. Термоэлектрическое
охлаждение за счет тепла от пизкопотепциалышх источников. В кн.:
Термоэлектрические свойства полупроводников. Сборник трудов I
и II совещаний по термоэлектричеству, изд. АН СССР, М.—Л., 1963.
Чудновский А. Ф., С. П. Б а р д е е в а, И. А. Иоффе,
М. А. Каганов. Противоточный охладитель потоков жидкости.
Сб. ЦНИТЭИН, 3, 1961.
Ч у д п о в с к и й А. Ф., М. А. К а г а п о в, Е. А. К о л е п к о,
И. Г. М у ш к и п. Холодильный термостат для хранения биологи-
биологических объектов. Бюлл. паучно-техп. ипформ. по агрофизике, 6, 1959.
Я м а к о в И. В. Полупроводникови термоэлектрические аппарати. Ма-
Машиностроение, 11, 12, 1962.
Kelly J. С. R. Thermoelectric applications to industrial problems. IRE
Trans. Ind. EL, 9, 1, 61, 1962.
К r i e s e r Thomas P. Thermoelectricity. Power supply and control. IEEE
Internat. Convent. Rec, 11, 3, 37, 1963.
L'actualite instrumentale. Les «frigatrons» et leurs applacations
R. R. Nature. Sci. progr., 3341, 387, 1963-
M a k о w D. M. Portable thermoelectric pump controls heating or cooling
of single component. Canad. Electron. Engng, 7, 8, 26, 1963.
M a s u d a Sadayoshi, Murakami Yukio. Thermoelectric cooling element
as thermal conductivity meter. Bull. J. SME, 6, 22, 251, 1963.
Morioka G. Thermoelectric cooling and its applied products. Radio and
TV, 5, 6, 24, 1962.
M u 11 e r Heinz. Aufbau und Einsatzbedingungen von Peltieraggregaten
in Kuhlgeraten. Siemens^Z., 37, 5, 383, 1963.
R e z e k Gerard. Thermal design and analog representation of a thermoelect-
thermoelectric refrigerator. IEEE Internal. Convent. Rec, 11, 6, 188, 1963.
R о h m e Bernhard. Kuhlelemente nach dem Peltier Effect auf Halbleiter-
basis. Electronic, 11, 8, 225, 1962.
Thermoelectric modules cooling heating. Proc. IRE, 49, 11, 1961.
Литература по общим вопросам
термоэлектрического охлаждения
Голдсмид Г. Применение термоэлектричества. Физматгиз, М., 1963.
Ж у з е В. П., Е. И. Г у с е п к о в а. Библиография по термоэлектри-
термоэлектричеству (термоэлектрогеператоры и охлаждающие устройства). Изд.
АН СССР, М.—Л., 1963.
Иоффе А. Ф. Полупроводники в современной физике. Изд. АН СССР,
М., 1955.
Иоффе А. Ф. Физика полупроводников. Изд. АН СССР, М.—Л., 1957.
Иоффе А. Ф., Л. С. С т и л ь б а п с, Е. К. И о р д а п и ш в и л и,
Т. С. С т а в и ц к а я. Термоэлектрическое охлаждение. Изд.
АН СССР, М.—Л., 1956.
278

К о л е п к о Е. А., А. Р. Р е г е л ь. Термоэлектрическое охлаждение п
его практическое применение. Вести. АН СССР, 5, 1964.
Научная литература по полупроводникам. Библиография A920—
1956 гг.). Под ред. В. П. Жузе. Изд. АН СССР, М.— Л., 1955.
С о м и п с к и и М. С. Развитие термоэлектрической электроники. Вести.
АН СССР, 5, 1962.
Термоэлектрические материалы и преобразователи. Сб. статей,
изд. «Мир», М., 1964.
Applications des «frigatrons». Mesures et controle industr., 28, 309,
1963.
Bean J. E. Applications of thermoelectric cooling. Industrial Electronics,
1, 3, 132, 1962.
Bean J. E. Thermoelectric cooling. Industrial Electronics, 1, 2, 110, 1962.
Beer A. C. Physics of thermoelectricity. Progr. Astronaut, and Bocketry,
3, 4, London, 3, 1961.
Birkholz V. Fortschritte in der Entwicklung der Halbleiter-Thermo-
elemente. Halbleiterprobleme, 6, 206, 1961.
В 1 a 11 F. J. On the possibility of thermoelectric refrigeration at very low
temperatures. Phil. Mag., 7, 76, 715, 1962.
В о h m e B. Kuhlelemente nach dem Peltier-Effect auf Halbleiterbasis.
Electronic, 11, 8, 225, 1962.
Burnett Т. В., Н. О. L о г с h, J. E. Thompson. Some problems
in the development of a commercial thermoelectric refrigerator. Brit.
J. Appl. Phys., 12, 11, 595, 1961.
Clingman W. H. New concepts in thermoelectric devices desingn. IRE
Intern. Conv. Rec., 9, 6, 174, 1961; Proc. IRE, 49, 7, 1155, 1961.
Der Frigistor — neuer Halbleiter in der Kuhltechnik. Sonenelek-
tronen, 7, 22, 1961.
Design details outlined for thermoelectric unit. Electron. Design, 9, 3,
6, 1961.
Eichhorn R. L. A review of thermoelectric refrigeration. Proc. IEEE,
51, 5, 721, 1963.
E 1 f v i n f Т. М. Study of design problems and mode of operation for ther-
thermoelectric refrigerators. ASHRAE Journ., 5, 10, 69, 1963.
Frantt E. W., R. S. Lackey, H. A. Wagner. Thermoelectric
spot cooling applications. IRE Wtecon. Convent. Rec, 3, 6, 136, 1959.
G a s s e r F. W. Thermoelektrische Kuhlung— eine neue Halbleiteranwen-
dung. Schweiz. Techn. Z., 58, 36, 733, 1961.
Golsmid H. J. Thermoelectric Refrigeration Plenum Press. N. Y., 1964.
Griffith M. V. Thermoelectric refrigeration. Advancement Sci., 18,
72, 135, 1961.
G u e n n о с. Les «Frigatrons». Toute electron, 30, 278, 292, 1963.
Halbleiter als «Eismaschine». Funkschau, 34, 5, 106, 1962.
Hanlein W. Halbleiter Kuhlelemente. Bull. Schweiz. electrotechn.
Vereins, 55, 4, 142, 1964.
H e a t о n A. G. Thermoelectrical cooling material characteristics and appli-
applications. Proc. Inst. Electr. Engre, 110, 7, 1277, 1963.
H orv ay I. B. Thermoelectric transients. IEEE Trans. Applic. and Ind.,
66, 111, 1963.
К 1 u t h H. Moglichkeiten der thermoelektrischen Kuhlung. Industriekurier
Techn. und Forsch., 15, 17, 269, 1962.
L a u t z Gunter. Thermoelektrische Effekte und Moglichkeiten ihrer prak-
tischen Nutzanwendung. Math.-Phys. Semesterber., 10, 1, 14, 1963.
Marioka G. Thermoelectric cooling and its applied products. Radio
and TV, 5, 6, 24, 1962.
McLean I. Solid state cooling system impractical, AF study shows. Ele-
Electron. News, 9, 447, 58, 1964.
Ott L. H. Electronic cooling and heating. Radio Electronics, 33, 1, 20,
1962.
279

Parrot J. E. and A. W. P e n n. Applications of the Peltier effect. AEI
E . ., 2, 4, 202, 1962.
P e n г о E. B. Grundlagen der thermoelektrischen K&lteerzeugung.
Kaltetechn., 15, 8, 219, 1963.
Poset Zdenek. Thermoelectrike clilazeni. Sdelovaci tehn., 12, 7, 1964.
Re Robert K. Semiconductor cooling devices survey. Military Industr.
Syst. Design, 7, 4, 20, 1963.
Robert L. Proportional temperature controller for thermoelectric coolers.
Rev. Scient. Instrum., 34, 11, 1277, 1963.
Robert L. The outlook for thermoelectric devices. Electron. Industr.,
22, 6, D6-D9, 1963.
Robertson J. T. S. designs minute ТЕ heat pump. Electron. News,
7, 310, 53, 1962.
Romaine O. Thermoelectric coolingspace. Aeronaut, 38< 2, 1962; Res.
and Develomp. Techn. Handbook, F15-F19, 1962—1963.
S a g e 1 K. Grundlagen und Probleme der thermoelektrischen Kalteerzeugung.
VDI Zs., 104, 7, 1ТЭ62.
Thermoelectricity science and engineering, Eds Heikes R. R.,
Ure R. W., 4, Intersci. Publ., 1961.
Wright D. A. New ways in thermoelectricity. Brit. J. Appl. Phys., 15,
3, 1964S
Z e с h e r W. Peltier-Kiihlung. Philips Techn. Rundschau, 8, 205, 1965.

Евгений Андреевич Коленко
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАЖДАЮЩИЕ ПРИБОРЫ
Утеерждено к печати
Институтом полупроводников АН СССР
Редактор Издательства Г. М. Арон
Художник Д. С. Данилов
Технический редактор Г. А. Бессонова
Корректор Н. П. Кизим
Сдано в набор 6/Х 1966 г. Подписано к "печати 2,11 1967 г.
РИСО АН СССР № 5-8В. Формат бумаги 60Х90С. Бум.
л. 9'/,6. Печ. л. 173/, + 2 вкл. C/8 ,печ. л.)= 1&1е усл. печ. п.
Уч.-изд. л. 18,58. Изд. № 2&92. Тип. зак. J4 1256. М-08137
Тираж 4000. Бумага типографская Л» 1. Цепа 1 р. 40 к.
Ленинградское отделение издательства «Наука»
Ленинград, В-164, Менделеевская лин., д. 1
1-я тип. издательства «Наука». Ленинград, В-34, 9 линия, д. 12