Термоэлектрические холодильники, страница 6

Материалы термоэлементов

Характеристика эффективности (показатель добротности) термо­элемента при оптималь­ном соотноше­нии, сечений ветвей зависит от величин коэффициентов т. э. д. с. (), электро­проводности и теплопроводности (X) двух полупроводниковых элементов. Для одной ветви термоэлемента характеристика эффективности пропор­циональна вели­чине. В совокупности эти физические кон­станты зависят от «атомного строения мате­риала и от .концентрации (n) носителей электричества и их под­вижности (U). Качест­венная зави­симость значений а также величины от от п предста­в­лена на рис.41, а. Из анализа зависимости следует, что задача поиска эффективных материалов для термоэлементов сводится, во-первых, к созданию искусственным путем в этих ма­териалах

такой   (оптимальной)   концентрации   носителей  электричества   (n₀), при которой величина  получает максимальное значение.

Во-вторых, характеристика эффективности обратно пропорцио­нальна теплопроводности материала, ко­торая слагается из тепло­проводности кристаллической решетки, не завися­щей от я, и электронной тепло­проводности, пропорциональной п (рис. 41, б).

         Следовательно, при оптимальном значении n₀ вторая задача поиска эффективных мате­риалов сводится к тому, чтобы найти такие веще­ства, которые обеспечи­вали бы максималь­ное снижение теплопро­водности кристаллической решетки. В любом основном полупро­водни­ковом веществе значение х_р может быть понижено за счет вве­дения нейтральных примесей, которые призваны увеличить рассея­ние упругих волн (распространителей теплопроводно­сти) и тем са­мым снизить теплопроводность кристаллической решетки. Обычно роль ней­тральных примесей играют изоморфные со­единения, обра­зующие с основным полупроводни­ковым веществом термоэлемента твердые растворы.

Из известных в литературе полупроводниковых материалов наибольшее применение в последние годы для изготовления ветвей термоэлементов получил теллурид вис­мутаи некоторые его   твердые   растворы   с   изоморфными   соединениями.   Тако­выми являются селенин висмута и сурьмянистый теллур .

Теллурид висмута может быть получен как n-, так и р - типа в за­висимости от содержания висмута. При избытке висмута получается теллурид n-типа, при избытке теллурида -теллу­рид р – типа.

Для увеличения подвижности носителей электричества и снижения теплопроводности кристалличе­ской решетки в основной материал термоэлементов вводятся твердые растворы селенина вис­мута или сурьмянистого теллура.

Режимы работы термобатареи

Режим работы термобатареи зависит от величины питаемого постоянного тока. При этом, как следует из выражений (118) и (134) существуют два оптимальных значения питаемого тока: первый (/_опт) обеспе­чивает максимальную холодопроизводительность термобатареи, а   второй  — максимальную   экономичность.   При определенном   значении   характери­стики   эффективности   термоэле­ментов и питании термобатареи опти­мальными   токами и холодопроизводительность   и   холодильный   коэффициент   зависят от пере­пада температур. При значении  и температуре горячих спаев t = 298 К (25° С) указанные зависи­мости графически отражены на рис. 42.