RU2107116C1

RU2107116C1 - Device for production of thermoelectric materials

Info

Publication number: RU2107116C1
Application number: RU95110083/25A
Authority: RU
Inventors: Г.Ф. Аристов; С.А. Зинихин
Original assignee: Горно-химический комбинат
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1998-03-20
Also published as: RU95110083A

Abstract

FIELD: production of branches of thermocouples based on bismuth telluride Bi₂Te₃. SUBSTANCE: device for production of thermoelectric materials has airtight container from quartz glass in which ingot shaper is made integral with container reactor part. Combined container is located horizontally on the device and provided with driven coupling which rotates it in tube furnace for synthesis. In addition, the device has unit for floating-zone refinement with mechanism moving the furnace along ingot shaper. EFFECT: increased output of materials due to increased diameter of produced crystal and its length on the existing equipment and production areas and reduced cost of produced materials. 2 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению и может найти применение в создании высокоэффективных преобразователей на основе полупроводниковых материалов для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, например, в холодильниках, термостатах, агрегатах для кондиционирования воздуха и других устройствах. The invention relates to thermoelectric instrumentation and may find application in the creation of highly efficient converters based on semiconductor materials for the direct conversion of thermal energy into electrical energy, for example, in refrigerators, thermostats, air conditioning units and other devices.

Преимущественно изобретение может быть использовано в производстве слитков для ветвей термоэлементов на основе теллурида висмута Bi₂Te₃.Advantageously, the invention can be used in the manufacture of ingots for branches of thermoelements based on bismuth telluride Bi ₂ Te ₃ .

В литературе имеются данные об установках для получения высокоэффективных кристаллов, например, устройство для синтеза и направленной перекристаллизации термоэлектрических материалов (ТЭМ), предложенное Курганским государственным педагогическим институтом (Куликов В.А. Исследования влияния ультразвука на свойства теллуридов висмута и сурьмы при их получении. Отчет Курганского государственного педагогического института. Курган, 1989, инв. N 029.00 035062, N гос. рег. 01870094774, с. 23 - 27) и содержащее печь для проведения синтеза, а также кварцевую ампулу (контейнер), где находится синтезируемый материал. Недостатком известного устройства является то, что получение ТЭМ производят в формообразователях из кварцевого стекла, которые имеют одноразовое использование, что значительно увеличивает стоимость материала. There is data in the literature on facilities for producing highly efficient crystals, for example, a device for the synthesis and directed recrystallization of thermoelectric materials (TEM), proposed by the Kurgan State Pedagogical Institute (V. Kulikov. Research on the effect of ultrasound on the properties of bismuth and antimony tellurides upon receipt. Report Kurgan State Pedagogical Institute, Kurgan, 1989, inv.N 029.00 035062, N state reg. 01870094774, pp. 23-27) and containing a synthesis furnace, as well as a quartz ampu y (container) where the synthesized material. A disadvantage of the known device is that TEM is produced in quartz glass shapers that are disposable, which significantly increases the cost of the material.

Известно также устройство, наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату, которым является устройство для получения ТЭМ, разработанное в институте физики Ан Азерб. ССР (Бабаев Г.М. О возможности получения высокоэффективных термоэлектрических параметров в разъемных ампулах многоразового использования. Отчет института физики АН Азерб. ССР, СКБ "Теллур", 1989, инв. N 028.90 044945, N гос. рег. 01.88.00.36.797, 9 - 11) и содержащее герметичный контейнер из кварцевого стекла, печь для проведения синтеза, установку зонной перекристаллизации и устройство, ее перемещающее. В этом устройстве синтез и перекристаллизация проводятся в одном контейнере без дополнительных операций, контейнер многоразового использования. Несмотря на положительные стороны, недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются сложность конструкции, обусловленная выполнением формообразователя из стеклоуглерода, небольшой выход ТЭМ с одной операции, а также и то, что при увеличении выпуска материалов (увеличение диаметра получаемого кристалла и его длины) предложенная конструкция приведет к увеличению рабочих органов всей установки, что повлечет увеличение числа оборудования и площадей, следовательно, стоимость материала возрастет, а это, если учесть, что в мощных устройствах количество термоэлементов исчисляется сотнями и даже тысячами. Also known is the device that is closest in technical essence and the achieved result, which is a device for TEM, developed at the Institute of Physics, An Azerb. SSR (Babaev G.M. On the possibility of obtaining highly efficient thermoelectric parameters in split ampoules of refillable use. Report of the Institute of Physics of the Academy of Sciences of Azerbaijan. SSR, SKB Tellur, 1989, inv. N 028.90 044945, N state reg. 01.88.00.36.797 , 9 - 11) and containing a sealed container of quartz glass, a synthesis furnace, a zone recrystallization unit and a device for moving it. In this device, synthesis and recrystallization are carried out in one container without additional operations, the container is reusable. Despite the positive aspects, the disadvantages of the known device adopted for the prototype are the design complexity due to the execution of the former from glassy carbon, a small TEM yield in one operation, and also the fact that with an increase in the output of materials (increasing the diameter of the resulting crystal and its length), the proposed the design will lead to an increase in the working bodies of the entire installation, which will entail an increase in the number of equipment and areas, therefore, the cost of the material will increase, and this, given that powerful devices the number of thermocouples in the hundreds and even thousands.

Целью изобретения является повышение производительности и эффективности устройства в условиях промышленного производства слитков для ветвей термоэлементов. The aim of the invention is to increase the productivity and efficiency of the device in the conditions of industrial production of ingots for branches of thermocouples.

Указанная цель обеспечивается тем, что в устройстве, содержащем герметичный контейнер из кварцевого стекла, печь для проведения синтеза, установку зонной перекристаллизации и механизм, перемещающий печь относительно формообразователя слитка, согласно изобретению формообразователь слитка термоэлектрического материала изготовлен из кварцевого стекла заодно с реакторной частью контейнера, который размещен на установке горизонтально и снабжен устройством вращения вокруг его горизонтальной оси. This goal is ensured by the fact that in a device containing a sealed container of quartz glass, a synthesis furnace, a zone recrystallization unit and a mechanism moving the furnace relative to the ingot moulder, according to the invention, the thermoelectric material ingot maker is made of quartz glass integral with the reactor part of the container, which placed horizontally on the installation and equipped with a rotation device around its horizontal axis.

По имеющимся у заявителя сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого устройства, неизвестна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна". According to the information available to the applicant, the set of essential features characterizing the essence of the claimed device is unknown from the prior art, which allows us to conclude that the invention meets the criterion of "novelty."

По мнению заявителя, сущность заявляемого изобретения для специалиста явным образом не следует из уровня техники, из чего можно заключить, что изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень". According to the applicant, the essence of the claimed invention for a specialist does not explicitly follow from the prior art, from which it can be concluded that the invention meets the criterion of "inventive step".

На фиг. 1 изображено устройство в момент процесса синтеза; на фиг. 2 - то же, в процессе зонной перекристаллизации. In FIG. 1 shows the device at the time of the synthesis process; in FIG. 2 - the same in the process of zone recrystallization.

Устройство для получения ТЭМ содержит совмещенный контейнер 1 из кварцевого стекла, состоящий из хвостовика 2, формообразователя 3 слитка, реактора 4 для синтеза и горловины 5, устанавливаемой в приводную муфту 6, содержащую накидную гайку 7, уплотнительную прокладку 8, штуцер 9 и отсечное устройство 10, а также трубчатую печь 11 для ведения синтеза и установку зонной перекристаллизации, представляющую собой трубчатую печь 12 с механизмом 13 перемещения ее вдоль формообразователя 3 слитка. A device for producing a TEM contains a combined quartz glass container 1, consisting of a shank 2, an ingot mold 3, a synthesis reactor 4 and a neck 5 mounted in a drive coupling 6 containing a union nut 7, a gasket 8, a fitting 9 and a shut-off device 10 and also a tubular furnace 11 for conducting synthesis and a zone recrystallization unit, which is a tubular furnace 12 with a mechanism 13 for moving it along the former 3 of the ingot.

Устройство для получения ТЭМ работает следующим образом. A device for obtaining TEM works as follows.

В реактор 4 совмещенного контейнера 1 через горловину 5 загружаются компоненты твердых растворов, после чего реакторная часть 4 для синтеза помещается в печь 10 и совмещенный контейнер 1 горизонтально монтируется на самой установке (условно не показана) при помощи хвостовика 2. Далее контейнер герметизируется с помощью уплотнительной прокладки 8 приводной муфты 6 и подключается к откачной системе через штуцер 9. После откачки воздуха до определенного остаточного давления контейнер заполняется через штуцер 9 инертным газом (аргоном), а затем включаются отсечное устройство 10, обеспечивающее постоянство технологического процесса, проходящего в реакторной части 4, и печь 11 синтеза, в которой совмещенный контейнер 1 вращается вокруг своей оси при помощи приводной муфты 6 и двигателя (условно не показан). Таким образом, примерно 60 мин идет процесс синтеза. После его окончания совмещенный контейнер 1 при помощи ручного привода наклоняется и синтезированный материал из реактора 4 попадает в формообразователь 3, где происходит кристаллизация слитка. Затем совмещенный контейнер 1 возвращается на установке в горизонтальное положение, печь 11 синтеза демонтируется, а формообразователь 3 со слитком устанавливается в печь 12, которая передвигается вдоль формообразователя 3 во время процесса зонной перекристаллизации. После окончания перекристаллизации печь 12 и механизм 13 ее передвижения отключаются для полного остывания контейнера 1, который затем снимают с установки, и через горловину 5 извлекают слиток ТЭМ. The components of solid solutions are loaded into the reactor 4 of the combined container 1 through the neck 5, after which the reactor part 4 for synthesis is placed in the furnace 10 and the combined container 1 is horizontally mounted on the installation itself (not shown conditionally) using a shank 2. The container is then sealed with a sealing gaskets 8 of the drive coupling 6 and is connected to the pumping system through the nozzle 9. After pumping the air to a certain residual pressure, the container is filled through the nozzle 9 with inert gas (argon), and then into The shut-off device 10 is switched on, ensuring the constancy of the technological process taking place in the reactor part 4, and the synthesis furnace 11, in which the combined container 1 rotates around its axis by means of a drive coupling 6 and an engine (not shown conventionally). Thus, the synthesis process takes about 60 minutes. After its completion, the combined container 1 with the help of a manual drive tilts and the synthesized material from the reactor 4 enters the former 3, where the ingot crystallizes. Then the combined container 1 is returned to the installation in a horizontal position, the synthesis furnace 11 is dismantled, and the former 3 with the ingot is installed in the furnace 12, which moves along the former 3 during the zone recrystallization process. After recrystallization is completed, furnace 12 and its movement mechanism 13 are turned off to completely cool container 1, which is then removed from the unit, and a TEM ingot is removed through neck 5.

На контейнерах такой конструкции было получено более 50 слитков (с равномерными электрофизическими характеристиками вдоль слитка) диаметром 150 мм, длиной 220 - 230 мм и весом до 300 г. On containers of this design, more than 50 ingots (with uniform electrophysical characteristics along the ingot) were obtained with a diameter of 150 mm, a length of 220 - 230 mm and a weight of up to 300 g.

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, может быть многократно осуществлена с реализацией поставленной цели, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого устройства критерию "промышленная применимость". The set of essential features characterizing the essence of the invention can be repeatedly implemented with the implementation of the goal, which allows us to conclude that the claimed device meets the criterion of "industrial applicability".

Claims

A device for producing ingots of thermoelectric materials, including semiconductors, containing a sealed container of quartz glass, a synthesis furnace, a zone recrystallization unit with a mechanism moving the furnace relative to the ingot mold, characterized in that the thermoelectric material ingot former and the reactor part of the container are made in the form horizontal quartz combined container equipped with a rotation device around its horizontal axis.