UA120997C2 - Економічний спосіб виготовлення термоелектричних елементів методом порошкової металургії - Google Patents

Abstract

У заявці описаний спосіб виготовлення термоелектричного елемента або принаймні його напівфабрикату методом порошкової металургії. В основу винаходу була поставлена задача запропонувати спосіб, який допускав би можливість його здійснення з використанням стандартних машин і обладнання. Крім цього повинні по можливості повністю виключатися операції додаткової обробки для вирівнювання підкладки і гілок термоелектричного елемента. Основна ідея запропонованого у винаході технічного вирішення полягає в тому, щоб виконати стадії пресування активного матеріалу, поміщення неспечених заготовок у наскрізні отвори підкладки і спікання неспечених заготовок на різних машинах, і щоб у такий спосіб для виконання максимально можливої кількості технологічних операцій можна було використовувати стандартні машини і обладнання. Одна з важливих особливостей винаходу полягає в тому, що спікання неспечених заготовок і вирівнювання підкладки і гілок термоелектричного елемента здійснюються в ході однієї робочої операції, для чого використовують розташування плоскопаралельно до підкладки плоских електродів для спікання, які наближають до підкладки в міру усадки неспечених заготовок при спіканні. У кінці процесу спікання відстанню між електродами задається товщина підкладки, а також довжина гілок термоелектричного елемента. Таким чином без всякої подальшої додаткової обробки забезпечується розташування гілок термоелектричного елемента врівень з підкладкою.

Description

Даний винахід відноситься до способу виготовлення термоелектричного елемента або принаймні його напівфабрикату методом порошкової металургії.

Термоелектричний елемент є перетворювачем енергії, який перетворює теплову енергію в електричну з використанням описаного Пельте і Зеєбеком термоелектричного ефекту. Оскільки термоелектричний ефект має оборотний характер, будь-який термоелектричний елемент може також використовуватися для перетворення електричної енергії в теплову, відповідно до чого так звані елементи Пельте (фрігістори) слугують для охолодження, відповідно нагрівання об'єктів при споживанні електричної потужності. Тому елементи Пельте також розглядаються як термоелектричні елементи за змістом даного винаходу. Термоелектричні елементи, які слугують для перетворення теплової енергії в електричну, часто називають термоелектричними генераторами (ТЕГ).

За своїм технічним виконанням термоелектричні елементи містять принаймні одну утворену двома гілюками термопару з термоелектрично активного матеріалу і несущий чохол, який охоплює Її і електрично ізолює її ззовні.

У літературі описано багато термоелектрично активних матеріалів. Для комерційного використання придатні, наприклад, сплави з класу напівпровідних телуридів бісмуту (перш за все з додатковим вмістом селену і/або сурми), з яких при легуванні, з одного боку, акцепторною домішкою, а з іншого боку, донорною домішкою можливе утворення термопари.

До таких класів термоелектрично активних речовин відносяться половинні сплави Гейслера, різні силіциди (перш за все магнію, заліза), різні телуриди (свинцю, олова, лантану, сурми, срібла), скутерудити, різні антимоніди (цинку, церію, заліза, ітербію, марганцю, кобальту, бісмуту, які частково називаються також фазами Цинтля), сплави системи Те-Аа-Се-55 (ТАС5), германіди кремнію, клатрати (перш за все на основі германію). Нарівні з такими напівпровідниковими матеріалами можливе також виготовлення термоелектричних елементів з комбінацій більшості звичайних металів, як це, наприклад, має місце при виготовленні наявних у продажу термоелементів для вимірювання температури, зокрема термопар типу Мі-СтМІі.

Однак досяжні при цьому так звані якісні показники (термоелектричний "коефіцієнт корисної дії") явно нижче, ніж при використанні вказаних напівпровідникових матеріалів.

Традиційні термоелектричні елементи зазвичай складаються з монолітних (повнотілих) паралелепіпедів з термоелектрично активних напівпровідників, а також твердих, більшою частиною керамічних, електроїзолюючих зовнішніх пластин. При використанні монолітних паралелепіпедів їх випилюють із монолітних злитків.

Злитки, оскільки вони часто мають дефекти або усадкові раковини, прийнято спочатку подрібнювати в порошок і спіканням виготовляти з нього високощільну пластину. Потім з такої щільної пластини, яка практично не має порожнеч, у разі потреби вирізають паралелепіпедальні гілки термоелектричного елемента.

З УМО 2008/061823 А! відоме виготовлення напівфабрикату для термоелектричного елемента шляхом введення термоелектричного матеріалу у вигляді порошку в плоску пористу підкладку. Гілюи виготовленого термоелектричного елемента проходять перпендикулярно до площини підкладки.

Ще один спосіб виготовлення термоелектричних елементів методом порошкової металургії відомий з ОЕ 102012205087 А1. Згідно з цією публікацією підготовлений у порошкоподібному вигляді активний матеріал спресовують в отворах перфорованої матриці, яка потім стає компонентом виготовленого термоелектричного елемента, а саме підкладкою.

До недоліків цього способу варто віднести той факт, що вказана матриця обов'язково повинна складатися з тепло- і електроїізолюючого матеріалу, оскільки вона залишається в ролі підкладки в ТЕГ. Нарівні з цим матриця повинна витримувати в процесі пресування неспеченої заготовки високі механічні навантаження, що обмежує вибір тепло- і електроїізолюючого матеріалу підкладки.

З УМО 2915/043824 А1 відомий удосконалений спосіб виготовлення термоелектричних елементів методом порошкової металургії. При здійсненні цього способу порошкоподібний активний матеріал спресовують у розташованій поза підкладкою формі з одержанням неспечених заготовок, ці неспечені заготовки вдавлюють, виштовхуючи з форми, в передбачені отвори підкладки і спікають у них з одержанням гілок термоелектричного елемента.

Недолік такого способу полягає в тому, що розташовану поза підкладки форму, в якій активний матеріал спресовують у неспечені заготовки, потрібно розміщувати з точним суміщенням з отворами підкладки, в які впресовують неспечені заготовки. Для такого точного суміщення і для переміщення неспечених заготовок з форми в підкладку потрібна спеціальна машина, яку потрібно спеціально розробляти і виготовляти для цієї мети. Внаслідок цього бо значно зростають капітальні витрати на виробничу лінію для виготовлення термоелектричних елементів цим способом. Крім того, неспечені заготовки піддані усадці при спіканні, тобто зменшенню їх об'єму в процесі спікання. Через цю причину гілки термоелектричного елемента скорочуються в підкладці, через що забезпечити їх контактування між собою можна лише насилу. Зазвичай частину матеріалу підкладки, яка виступає над гілками термоелектричного елемента, потрібно зішліфовувати з тим, щоб забезпечити розташування гілок термоелектричного елемента нарівні, тобто врівень, з поверхнею підкладки, що є потрібною умовою для надійного електричного контактування гілок термоелектричного елемента між собою. Подібна технологічна операція призводить до збільшення виробничих витрат.

Ще один принциповий недолік описаного в УМО 2015/043824 А1 способу полягає в тому, що він не дозволяє здійснювати індивідуальний контроль маси гілок термоелектричного елемента.

Цей фактор ускладнює дотримання вузьких меж допуску на однорідність щільності гілок термоелектричного елемента.

Виходячи з розглянутого вище рівня техніки, в основу даного винаходу була покладена задача запропонувати оснований на методі порошкової металургії спосіб виготовлення термоелектричного елемента, відповідно його напівфабрикату, який спосіб допускав би можливість його здійснення з використанням стандартних машин і обладнання в цілях зниження капітальних витрат і підвищення стабільності виробничого процесу. Крім цього в оптимальному випадку повинні виключатися операції додаткової обробки для вирівнювання підкладки і гілок термоелектричного елемента. З метою ж полегшити забезпечення належної якості повинна передбачатися можливість контролю маси окремих гілок термоелектричного елемента, відповідно їх неспечених заготовок.

Вказана задача вирішується за допомоги способу, який полягає у виконанні таких стадій: а) готують загалом плоску підкладку з електро- і теплоїзолюючого матеріалу, через яку проходять орієнтовані загалом перпендикулярно до її площини наскрізні отвори, б) готують порошкоподібний термоелектрично активний матеріал, в) активний матеріал спресовують з одержанням неспечених заготовок, при цьому пресування здійснюється у відмінній від підкладки формі, г) неспечені заготовки поміщають у наскрізні отвори підкладки, в результаті чого в кожному з наскрізних отворів вздовж його осі через підкладку проходить по одній неспеченій заготовці,

Зо д) підкладку з поміщеними в неї неспеченими заготовками розташовують між двома загалом плоскими електродами, в результаті чого обидва електроди і підкладка виявляються орієнтовані загалом паралельно один до одного, е) торцеві сторони неспечених заготовок приводять у контакт з електродами, в результаті чого між обома електродами через неспечені заготовки утворюється з'єднання, яке передає електричний струм і механічний силовий потік, ж) до неспечених заготовок підводять електричний струм, який проходить між електродами, що спричиняє нагрівання термоелектричного активного матеріалу, 3) до неспечених заготовок докладають стискальне зусилля, яке діє між електродами, в результаті чого термоелектричний активний матеріал навантажується тиском, и) неспечені заготовки спікають при впливі тиску і тепла з одержанням гілок термоелектричного елемента,

К) підкладку і гілюи термоелектричного елемента, які знаходяться в ній, піддають згладжуванню шляхом зближення електродів при збереженні їх паралельності, в результаті чого гілки термоелектричного елемента закінчуються врівень з підкладкою, при цьому усувається можливе осьове перекошення неспечених заготовок у підкладці, а також компенсується їх усадка при спіканні.

Подібний спосіб є об'єктом даного винаходу.

Основна ідея винаходу полягає в тому, щоб виконувати стадії пресування активного матеріалу, поміщення неспечених заготовок у наскрізні отвори підкладки і спікання неспечених заготовок на різних машинах і щоб у такий спосіб для виконання максимально можливого числа технологічних операцій можна було використовувати стандартні машини і обладнання.

Одна з важливих особливостей винаходу полягає в тому, що спікання неспечених заготовок і вирівнювання підкладки і гілок термоелектричного елемента здійснюються в ході однієї робочої операції, для чого використовують розташовані плоскопаралельно до підкладки плоскі електроди для спікання, які наближають до підкладки в міру усадки неспечених заготовок при спіканні. Відповідно до цього неспечені заготовки варто виконувати з надлишковим розміром (припуском), який усувається, відповідно компенсується усадкою при спіканні. У кінці процесу спікання відстанню між електродами задається товщина підкладки, а також довжина гілок термоелектричного елемента. Таким чином без усякої подальшої додаткової обробки 60 забезпечується розташування гілок термоелектричного елемента врівень з підкладкою.

Ще одна раціоналізаторська перевага може досягатися в тому випадку, коли декілька підкладок з поміщеними в них неспеченими заготовками об'єднують у пакет, в якому при цьому підкладки розташовуються паралельно одна до одної і між кожними двома сусідніми між собою підкладками прокладено по загалом плоскій розділовій пластині, яка розташовується паралельно до підкладок і яка утворює електропровідне і силопередавальне з'єднання між неспеченими заготовками в сусідніх підкладках, і потім весь такий пакет розташовують між обома електродами. Використання розділових пластин дозволяє виготовляти в ході одного процесу спікання на одній спікальній машині багато напівфабрикатів (тобто підкладок з гілками термоелектричних елементів, які знаходяться в них).

При виготовленні термоелектричних елементів описаним безпосередньо вище груповим методом декілька підкладок з опоміщеними в них неспеченими заготовками можна розташовувати окремо, відповідно в набраному в пакет вигляді в одній площині між обома електродами. Завдяки цьому забезпечується подальша раціоналізація виробництва.

Плоскі електроди, відповідно розділові пластини в переважному варіанті виконані з графіту, оскільки ця речовина добре проводить електричний струм, витримує високі температури спікання і не прилипає до термоелектричного активного матеріалу. Графіт має ту властивість, що його механічна міцність зростає з підвищенням температури. Для використання цього ефекту в ще одному варіанті здійснення запропонованого у винаході способу до неспечених заготовок для їх приведення в контакт з електродами докладають перше стискальне зусилля, після чого до неспечених заготовок при дії цього першого стискального зусилля підводять струм до тих пір, поки виконані з графіту електроди, відповідно розділові пластини не досягнуть температури, при якій виконані з графіту електроди, відповідно розділові пластини характеризуються підвищеною несучою здатністю, відповідно руйнівним навантаженням, яке перевищує перше стискальне зусилля, і потім до неспечених заготовок докладають друге стискальне зусилля, яке вище першого стискального зусилля і нижче підвищеної несучої здатності, відповідно руйнівного навантаження. Таким чином, необхідне для пресування друге стискальне зусилля утворюють лише після того, як електроди, відповідно розділові пластини досягнуть достатньої міцності в результаті підвищення їх температури. До досягнення цієї температури докладають лише перше, більш низьке стискальне зусилля.

Зо Запропонований у винаході спосіб призначений для переробки термоелектричного активного матеріалу, який являє собою сплав, вибраний з класу телуридів бісмуту, телуридів свинцю, антимонідів цинку, силіцидів, скутерудитів, половинних сплавів Гейслера. У ролі активного матеріалу можливе також використання нанокремнію (кремнію з нанометровими розмірами частинок). Особливо переважний телурид бісмуту (Віг Тез).

При спресовуванні порошкоподібного активного матеріалу в неспечені заготовки порошкоподібний активний матеріал ущільнюється. Однак у переважному варіанті порошок ущільнюють не до теоретичної щільності, а лише до першої щільності після пресування (щільності пресування), яка складає від 75 до 85 95 теоретичної щільності активного матеріалу.

Під теоретичною (або істинною) щільністю мається на увазі щільність ідеально монолітного тіла із застосовного активного матеріалу. Теоретична щільність технічних сплавів на основі телуриду бісмуту складає, наприклад, 6,9 г/см3. Оскільки перша щільність після пресування менша теоретичної щільності, неспечена заготовка є пористою. У свою чергу перша щільність після пресування логічно неминуче більша насипної щільності порошкоподібного активного матеріалу, оскільки порошок при пресуванні ущільнюється. Насипна щільність застосовного порошку складає переважно від 30 до 50 95 теоретичної щільності.

Для досягнення першої щільності після пресування варто відповідним чином вибирати гранулометричний склад порошкоподібного активного матеріалу і тиск пресування в таблетковому пресі. Конкретно в цьому випадку, коли в ролі активного матеріалу використовується телурид бісмуту, середній розмір його частинок зо повинен перед пресуванням складати від З до 30 мкм, а тиск, при якому термоелектричний активний матеріал спресовується в неспечені заготовки, повинен у цьому випадку складати від 541 до 955 мПа.

Гранулометричний склад визначають за статичним розсіюванням лазерного випромінювання згідно з теорією Мі. Подібний метод аналізу вказаний у стандарті 0БІМ-ІЗО 13320, при цьому варто використовувати вимірювання мокрим методом. Придатним для застосування в цих цілях вимірювальним приладом є лазерний спектрометр розсіяного випромінювання НОКІВА ГА 950 фірми Кеїб5спй Тесппоїосду СтрН, Хан, Німеччина. Інформація про тиск, який розвивається таблетковим пресом при пресуванні порошку, може зчитуватися з самого цього таблеткового преса. Для цього, наприклад, динамометричним датчиком (тензометричним датчиком) визначають зусилля на пуансоні і величину цього зусилля перераховують на площу поверхні (516) пуансона.

Довжина неспечених заготовок повинна складати від 105 до 150 95 товщини підкладки у згладженому стані. Сказане означає, що поміщені (вставлені) в підкладку неспечені заготовки виступають із неї, завдяки чому забезпечується добрий механічний і електричний контакт з електродами, відповідно розділовими пластинами. У цьому випадку усадка при спіканні призводить до скорочення гілок термоелектричного елемента до товщини підкладки, що виключає необхідність у подальшому вирівнюванні.

Температура, яка встановлюється в неспечених заготовках при спіканні, повинна складати від 50 до 70 95 температури плавлення активного матеріалу. Температура плавлення залежить від застосовного активного матеріалу. У телуриду бісмуту температура його плавлення складає порядку 573 "С. При використанні сплаву з класу телуридів бісмуту оптимальна температура спікання складає, як результат, від 287 до 401 "С залежно від конкретного сплаву.

У самих неспечених заготовках вимірювати температуру ледве можливо. Замість цього при спіканні температуру вимірюють термометром на електродах. Температуру спікання регулюють, варіюючи параметри електричного струму, який підводиться до неспечених заготовок.

При використанні телуридів бісмуту в ролі активного матеріалу до неспечених заготовок варто підводити електричний струм, параметри якого мають такий порядок величин: щільність струму в перерахунку на площу поперечного перерізу неспечених заготовок: 10-100 кА/ме тривалість підведення струму: 600-1100 с питома витрата електричної енергії в перерахунку на навішування активного матеріалу: 150-250 кКДж/г

Струм можна подавати у вигляді змінного струму з частотою від 20 до 100 Гц. Придатний змінний струм зі звичайною мережевою (промисловою) частотою 50 або 60 Гц. Можливе також використання постійного струму.

У результаті підведення електричного струму електроди і неспечені заготовки нагріваються до температури в межах від 300 до 400 "С. Температуру можна вимірювати на електродах і використовувати в ролі регульованої величини. Висока температура спричиняє спікання активного матеріалу. Продукт спікання неспеченої заготовки відповідає гілці термоелектричного елемента. Оскільки в результаті спікання електричний опір активного матеріалу знижується, термоелектрична активність спеченої гілки термоелектричного елемента зростає порівняно з пористими неспеченими заготовками.

Для утворення кожної термопари необхідно по два термоелектричних активних матеріали, які мають різну провідність і які електрично з'єднуються між собою, при цьому, наприклад, перший активний матеріал має діркову провідність, а другий активний матеріал - електронну провідність або навпаки. Термін "різний" у цьому контексті означає, що обидва активні матеріали мають коефіцієнти Зеєбека, які різняться між собою. У ролі активних матеріалів особливо переважні напівпровідники з дірковою і електронною провідністю, оскільки їх коефіцієнти Зеєбека мають різні знаки (від'ємний у активних матеріалів з електронною провідністю і додатний у активних матеріалів з дірковою провідністю), і тому чисельна різниця коефіцієнтів Зеєбека особливо велика. Цей фактор підвищує ефективність термоелектричного елемента.

У першому варіанті здійснення цього способу виготовлення термоелектричних елементів обидва активні матеріали послідовно спресовують у відповідні неспечені заготовки і поміщають їх у підкладку. Сказане означає, що спочатку формують і поміщають у підкладку неспечені заготовки з матеріалу з дірковою провідністю, а потім переробляють активний матеріал з електронною провідністю. Завдяки цьому скорочується час переналагодження машини.

Очевидно, що можна також спочатку переробляти матеріал з електронною провідністю, а потім матеріал з дірковою провідністю.

Другий і переважний варіант передбачає використання двох таблеткових пресів: першого для переробки активного матеріалу з дірковою провідністю і другого для переробки активного матеріалу з електронною провідністю. Хоча капітальні витрати в цьому випадку вдвічі вищі, ніж у першому варіанті однак вони швидко амортизуються завдяки скороченню часу переналагодження через такі причини. Оскільки в одній гілці термоелектричного елемента не допускається присутність матеріалів з електронною і дірковою провідністю у змішаному між собою вигляді, машину при зміні перероблюваного на ній матеріалу обов'язково потрібно ретельно очищати. Особливо при застосуванні складних ротаційних пресів на їх налагодження через цю причину припадають значні витрати часу. При застосуванні ж двох машин, на кожній з яких перероблюється матеріал тільки одного типу, відсутні витрати часу на їх налагодження, а час їх завантаженості явно зростає. Крім цього завдяки застосуванню індивідуальних пресів для бо переробки активного матеріалу з електронною провідністю і активного матеріалу з дірковою провідністю підвищується якість продукції, оскільки практично повністю виключається забруднення гілок стороннім матеріалом.

Стискальне зусилля, яке докладається до неспечених заготовок при пресуванні, явно нижче тиску, який докладався раніше до порошку при пресуванні з нього неспечених заготовок.

У переважному варіанті неспечені заготовки при докладанні до них діючого між електродами стискального зусилля ущільнюють до другої щільності після пресування, яка складає від 90 до 97 95 теоретичної щільності активного матеріалу. Таким чином, щільність неспечених заготовок ще раз підвищують перед процесом спікання, але не до теоретичної щільності (визначення теоретичної щільності див. вище).

При використанні телуриду бісмуту до неспеченої заготовки варто докладати стискальне зусилля, яке призводить до утворення тиску в термоелектричному активному матеріалі в межах від 10 до 50 МПа.

Холодний графіт зазвичай має міцність при стисканні від 60 до 120 МПа. Через цю причину графітові електроди/розділові пластини перед докладанням остаточного стискального зусилля спочатку потрібно нагріти до температури приблизно 300 "С. При цій температурі опір графітових елементів до руйнування досягає необхідних значень, при яких вони здатні без свого руйнування витримувати утворений при спіканні тиск. Швидкість нагрівання для досягнення такої температури повинна складати приблизно 50 К/хв.

Неспечені заготовки, які використовуються при здійсненні запропонованого у винаході способу, можуть мати різну геометричну форму. У першу чергу в ролі можливої розглядається циліндрична форма в загальному вигляді. Неспечені заготовки такої форми не обов'язково повинні мати в перерізі круглий профіль, а можуть також мати еліптичний, прямокутний, квадратний або шестикутний профіль. Можливе також використання циліндричних неспечених заготовок з профілем у вигляді правильного або неправильного п-кутника. Однак особливо переважні неспечені заготовки, які мають форму кругового циліндра.

Нарівні з циліндричною формою неспечені заготовки можуть також мати злегка конічну форму. Сказане означає, що в такої неспеченої заготовки розміри її поперечного перерізу зменшуються в осьовому напрямку, тобто неспечена заготовка звужується. Перевага неспеченої заготовки, яка звужується, полягає в тому, що вона міцно утримується в наскрізному

Зо отворі підкладки в результаті свого затиснення або заклинювання в ньому і при виконанні різних операцій з підкладкою, в яку вона вставлена, не випадає з неї. Відповідно до цього кут при вершині конуса варто вибирати таким, щоб між підкладкою і вставленою в неї неспеченою заготовкою виникало достатнє зусилля заклинювання. Тим не менш кут при вершині конуса не повинен бути занадто крутим, щоб уникнути розтріскування підкладки внаслідок розклинювальної дії. Прийнятний кут при вершині конуса залежить також від коефіцієнта тертя і в такий спосіб від пари сполучених матеріалів.

Такого ж ефекту можна також досягти, виконавши наскрізний отвір таким, що звужується, або виконавши неспечені заготовки з радіальним надлишковим розміром, при якому неспечені заготовки вставляються в наскрізні отвори з радіальним натягом (по пресовій посадці).

Для можливості безпроблемного поміщення неспечених заготовок, які мають форму кругового циліндра, в підкладку кожна з них повинна мати з торцевої сторони по фасці.

Наявність такої фаски тим більше потрібна в тому випадку, коли неспечені заготовки мають радіальний надлишковий розмір. Завдяки фасці при поміщенні неспечених заготовок у підкладку не відбувається також відколювання ніякого матеріалу (гострі краї легко відколюються). Неспечені заготовки менш чутливі також до пошкодження в результаті ударів.

Крім цього знижується також ризик утворення при спіканні частини у вигляді "шляпки гриба", яка виступає з підкладки (відповідно у вигляді "головки заклепки").

Неспечені заготовки можна також виконувати з гладкою поверхнею для їх більш легкого заковзування в отвори підкладки. Якість поверхні неспечених заготовок визначається формою, якістю і точністю дозування і тиском при пресуванні. У переважному варіанті бокова поверхня неспечених заготовок характеризується визначеним відповідно до стандарту СІМ 4766 Т2 середнім арифметичним відхиленням профілю Ка в межах від 12 до 24 мкм.

Важлива перевага запропонованого у винаході способу полягає в можливості пресування неспечених заготовок на стандартній машині поза підкладкою. Для застосування в цих цілях несподівано виявились придатні запропоновані компанією біапде таблеткові преси, які використовуються у фармацевтичній промисловості для таблетування порошкоподібних лікарських засобів. Цей факт виявився несподіваним остільки, оскільки подібні таблеткові преси призначені для переробки фармацевтичних складів, які хімічно і фізично суттєво відрізняються від термоелектричного активного матеріалу. Так, наприклад, телурид бісмуту має порівняно зі бо звичайними лікарськими засобами надзвичайно високу щільність.

Тим не менш таблеткові преси ексцентрикового (кривошипного) або ротаційного конструктивного типу здатні без їх модифікування развивати тиск пресування, потрібний для спресовування термоелектричного активного матеріалу в неспечені заготовки, і дозволяють у повністю автоматичному режимі з високою швидкістю виготовляти з активного матеріалу неспечені заготовки у великих кількостях. Замість лікарських засобів у таблетковий прес завантажується порошкоподібний термоелектричний активний матеріал. Зусилля пресування, що утворюються пуансонами, варто налаштовувати з таким розрахунком, щоб у формі досягався необхідний тиск пресування (від 700 до 1200 МПа при пресуванні ВігТез). Відповідно до цього варто вибирати пуансони, що допускають високе навантаження. У результаті замість розробки спеціальної машини нової конструкції можна придбати вже безпосередньо існуючий таблетковий прес і уникнути в такий спосіб пов'язаних з такою розробкою високих витрат.

Одним із придатних для застосування в передбачених винаходом цілях таблеткових пресів є ротаційний прес типу 1200і фірми Рейе Сотрасіпд СтЬН, Шварценбек, Німеччина. Як зазначалося вище, в переважному варіанті набувають два таблеткові преси для роздільного виготовлення легованих донорними домішками неспечених заготовок, з одного боку, і легованих акцепторними домішками неспечених заготовок, з іншого боку.

Ще одна перевага фармацевтичних таблеткових пресів полягає в тому, що вони спочатку обладнані точно працюючими дозаторами, і тому відмірювання порцій активного матеріалу у форму шляхом зважування відбувається з високою точністю за принципом "готового рішення" ("ош-ої-Ійе-бох"). Дозування здійснюється шляхом вимірювання об'єму дозованого матеріалу.

Ще одна перевага застосування неспечених заготовок, які виготовляються ех 5йи на таблетковому пресі кожна окремо від інших, полягає в можливості легше відсортувати браковані неспечені заготовки і повертати у виробничий цикл (рециркулювати) активний матеріал, який складає їх, шляхом їх розмелювання. При пресуванні неспечених заготовок іп 5й!и (тобто безпосередньо в підкладці) або при їх масовому перенесенні безпосередньо з форми в підкладку в неї можуть потрапляти окремі пресовані з дефектами неспечені заготовки, які знижують якість подальшого ТЕГ.

Таблетковий прес виштовхує неспечені заготовки невпорядковано. Для індивідуального поміщення неспечених заготовок в підкладку можна використовувати наявний у продажу

Зо транспортно-розділовий пристрій, який зазвичай використовується для поміщення або укладки таблеток в окремі комірки блістерних (коміркових) упаковок. У переважному варіанті використовуються транспортувальні машини з п'єзоелектричними приводами або хитні, відповідно вібраційні конвеєри. Придатні для застосування в цих цілях машини випускаються фірмою Нагтго Ноїйідег Меграскипд5ітазспіпеп ОТЬН, Альмерсбах-ім-Таль, Німеччина. Можливе також застосування інших автоматичних укладальників або поміщення неспечених заготовок у підкладку вручну.

Принципово запропонований у винаході спосіб відкриває можливість вибору матеріалу підкладки 3 широкого спектра можливих матеріалів. Для підвищення ефективності термоелектричного генератора варто по можливості вибирати матеріал підкладки, який забезпечує високий ступінь тепло- і електроізоляції. Однак разом з тим матеріал підкладки повинен бути також недорогим для забезпечення економічності. Крім цього матеріал підкладки повинен мати термостійкість, у тому числі термоциклічну стійкість, придатну для подальшого проходження всього технологічного маршруту і для подальшого використання в термоелектричному елементі. Такий матеріал повинен також мати певну механічну міцність.

У ролі особливо економічного матеріалу підкладки варто відзначити композиційні матеріали, які складаються з неорганічних сировинних матеріалів і зв'язувальних. Під неорганічними сировинними матеріалами маються на увазі переважно слюди, перліти, флогопіти або мусковіти. У ролі зв'язувального використовують переважно силікон, силіконову смолу і/або епоксидну смолу. З таких матеріалів можна шляхом їх нашарування виготовляти підкладки перш за все у вигляді шаруватого матеріалу. Для застосування в ролі підкладки найбільш придатні листові ізоляційні матеріали, які випускаються під товарними знаками Мідіабві!? і

Ратіштент? швейцарською фірмою ої АС. Мова при цьому йде про шаруваті матеріали (ламінати), які складаються з мусковітів і силіконового зв'язувального. Такий термостабільний ізоляційний матеріал вищою мірою придатний для його переробки в запропонованому у винаході процесі.

При застосуванні шаруватих підкладок з неорганічних сировинних матеріалів і зв'язувальних важливе значення має дотримання відповідних машинних параметрів у процесі механічної обробки, щоб уникнути пошкодження матеріалу підкладки. Так, наприклад, при виконанні отворів у листах матеріалу Ратійтепт? шляхом обробки різанням цільними твердосплавними 60 свердлами, тобто шляхом свердління, необхідно дотримуватися швидкості різання в межах від

0,3 до 1,5 м/с. При діаметрі свердла 4 мм такій швидкості різання відповідає частота обертання приблизно від 1500 до 7500 об/хв. Подання повинне складати від 50 до 250 мм/хв. Рівним чином можливе використання спеціальних, розроблених для свердління отворів у шаруватих матеріалах свердел і корончатих свердел.

У ролі альтернативи свердлінню існує також можливість виконання отворів у підкладці без зняття стружки, наприклад, вирубним пуансоном.

Підкладку використовують у вигляді плоского матеріалу товщиною від 1 до 10 мм. У переважному варіанті товщина підкладки складає від 1,5 до 4 мм, особливо переважно від 2 до

З мм. Листи матеріалу Ратійетт? випускаються і пропонуються до продажу з такою товщиною.

Нижче запропонований у винаході спосіб більш детально розглянутий з посиланням на схематичні креслення, які додаються до опису, на яких показано: на фіг. 1 - підкладка на стадії її підготовки, на фіг. 2а-2е - активний матеріал на стадії його підготовки і на стадії його спресовування в неспечені заготовки, на фіг. З - неспечені заготовки на стадії їх поміщення в підкладку, на фіг. 4 - підкладка на стадії її розташування між двома електродами, на фіг. 5 - неспечені заготовки на стадії приведення їх торцевих сторін у контакт з електродами, на фіг. 6 - неспечені заготовки на стадії підведення до них струму і на стадії докладання до них стискального зусилля з метою їх спікання з одержанням гілок термоелектричного елемента, на фіг. 7 - підкладка і гілки термоелектричного елемента на стадії їх згладжування шляхом зближення електродів, на фіг. 8 - напівфабрикат, на фіг. 9 - термоелектричний елемент, на фіг. 10 - варіант з розташуванням декількох підкладок у вигляді пакета між двома електродами з використанням розділових пластин і на фіг. 11 - пакет підкладок на стадії спікання в них неспечених заготовок.

Спочатку готують підкладку 1. Під такою підкладкою 1 в цьому випадку мається на увазі плоский лист матеріалу Ратійепт?У. Мова при цьому йде про тепло- і електроізолюючий

Зо шаруватий матеріал, який складається з мусковітів і силіконового зв'язувального. Розмір і форма поверхні підкладки залежать від призначення подальшого ТЕГ. Так, наприклад, можливе використання прямокутних листів розміром 52х52 мм. Товщина листа матеріалу Ратіййпегт? складає 2 мм. При цьому креслення виконані без дотримання масштабу і без дотримання пропорцій.

У підкладці 1 виконують багато наскрізних отворів 2, які проходять через неї перпендикулярно до її площини. Оскільки листи матеріалу Ратййегт? постачаються без наскрізних отворів 2, їх необхідно просвердлювати в підкладці. Для цього використовується твердосплавне свердло. Наскрізні отвори відповідно до їх круглого поперечного перерізу мають діаметр 4,07 мм. Разом з тим наскрізні отвори можна також виконувати з іншою формою їх поперечного перерізу, наприклад, із шестикутним поперечним перерізом, для підвищення у такий спосіб щільності їх розміщення. Середня щільність розміщення круглих отворів діаметром 4,07 мм складає від двох до трьох наскрізних отворів на квадратний сантиметр площі підкладки при ширині перемичок між ними 2 мм. На кресленнях для спрощення показано вісім наскрізних отворів 2.

На фіг. 2а-2е поетапно проілюстрований циклічний процес виготовлення неспеченої заготовки З на таблетковому пресі 4. У цьому випадку такий таблетковий прес для спрощення представлений у вигляді преса ексцентрикового конструктивного типу.

Для виготовлення неспечених заготовок З спочатку готують порошкоподібний термоелектричний активний матеріал 5. Мова при цьому йде про порошок телуриду бісмуту з розміром частинок доо приблизно 8 мкм. Порошок готують, засипаючи його в завантажувальну воронку 6 таблеткового преса 4 (див. фіг. га).

Таблетковий прес 4 дозує порошок 5 телуриду бісмуту в попередньо налаштованій кількості, яка складає в цьому випадку приблизно 200 мг, у форму 7 (див. фіг. 26).

Форма 7 є частиною таблеткового преса 4, і виробники таблеткових пресів часто називають її "матрицею". Однак цей термін свідомо не використовується в даних матеріалах, оскільки деякі виробники термоелектричних генераторів називають матрицею ту частину ТЕГ, яка в цьому описі названа підкладкою. У термінології, яка використовується в даному описі й у формулі винаходу, термін "форма" завжди (якщо тільки мова однозначно не йде про геометричну форму) позначає частину таблеткового преса, а термін "підкладка" завжди позначає частину 60 термоеєлектричного генератора.

Форма 7 закрита знизу нижнім пуансоном 9. Форма 7 має форму кругового циліндра з діаметром, який приблизно відповідає діаметру наскрізних отворів 2. Довжина неспечених заготовок варіюється від 2,2 до 2,6 мм. Подібна довжина, таким чином, відповідає 110-135 95 товщини підкладки. Відповідно до цього неспечені заготовки мають осьовий надлишковий щодо підкладки розмір. У разі потреби діаметр форми 7 может бути незначно більший діаметра наскрізних отворів 2 для виготовлення у такий спосіб неспечених заготовок з радіальним надлишковим розміром.

Після заповнення форми активним матеріалом завантажувальна воронка 6 відводиться в сторону (див. фіг. 28).

Потім порошок 5 ущільнюється у формі 7 верхнім пуансоном 10, який прямолінійно переміщується, з утворенням неспеченої заготовки 3, яка має форму кругового циліндра (фіг. 2г). Докладене пунсоном зусилля складає при цьому приблизно 8,5 кН. Звідси випливає, що у формі утворюється тиск 676 МПа.

Після цього верхній пуансон 10 переміщується назад. Нижній пуансон 9 слідує за рухом верхнього пуансона і виштовхує при цьому неспечену заготовку З з форми 7 (фіг. 2д).

Потім завантажувальна воронка б повертається у своє попереднє положення, переміщуючись над формою, і виштовхує при цьому неспечену заготовку З з таблеткового преса 4. Виштовхнута неспечена заготовка З потрапляє в невпорядкованому положенні у збірник 11 (фіг. 2е). Після цього нижній пуансон 9 знову опускається, в результаті чого машина (таблетковий прес) знову виявляється у своєму представленому на фіг. 2а вихідному стані. Далі завантажувальна воронка 6 знову заповнюється активним матеріалом 5.

На таблетковому пресі 4 етапи, проілюстровані на фіг. 2а-2е, повторюються з високою швидкістю, що дозволяє послідовно виготовляти багато неспечених заготовок. Оскільки для виготовлення кожної неспеченої заготовки використовується одна й та сама форма 7 і оскільки можливе точне дозування порошку, неспечені заготовки мають незмінну якість щодо дотримання їх заданих розмірів, їх щільності і якості їх поверхні. Можливі дефектні або браковані пресовані вироби відсортовуються.

Для підвищення швидкості виробництва неспечених заготовок замість схематично показаного на кресленнях ексцентрикового преса можна використовувати ротаційний прес.

Зо Ротаційний прес має багато верхніх пуансонів, нижніх пуансонів і форм, які розташовані по колу на обертальному роторі. Верхні і нижні пуансони для здійснення ними осьового зворотно- поступального руху відносно форми спрямовано переміщуються вздовж нерухомої куліси.

Зусилля пресування докладаються до пуансонів натискними роликами. Подібні ротаційні преси використовуються в промисловому виробництві фармацевтичних таблеток і оптимізовані на велику швидкість проходження через них перероблюваних матеріалів (продуктивність).

Оскільки для утворення високої термоелектричної напруги обидві гілки однієї термопари повинні мати коефіцієнти Зеєбека, які розрізняються між собою на максимально можливу величину, використовують термоелектричний активний матеріал двох різних типів, а саме: легований донорними домішками телурид бісмуту, по-перше, і легований акцепторними домішками телурид бісмуту, по-друге. У такий спосіб на одному й тому самому пресі послідовно виготовляють неспечені заготовки двох різних типів, тобто, по-перше, з легованого донорними домішками активного матеріалу і, по-друге, з легованого акцепторними домішками активного матеріалу. З метою виключити потрапляння залишків легованого донорними домішками активного матеріалу в леговані акцепторними домішками неспечені заготовки машину при зміні одного типу перероблюваного на ній матеріалу на інший необхідно ретельно очищати. Щоб уникнути потреби в такому очищенні леговані акцепторними і донорними домішками активні матеріали можна також перероблювати окремо на роздільних машинах.

На фіг. З показані два збірники 11р і 11п, одні з яких заповнені багатьма легованими акцепторними домішками неспеченими заготовками Зр, а інший, відповідно, заповнений багатьма легованими донорними домішками неспеченими заготовками Зп. У кожному зі збірників 11п, 11р знаходяться неспечені заготовки Зп, Зр тільки одного типу, однак вони розташовуються в збірниках геометрично невпорядковано.

Неспечені заготовки Зп, Зр вилучаються з відповідних збірників 11р, 11п ї окремо вставляються в наскрізні отвори 2 підкладки 1, через які в результаті цього неспечені заготовки проходять в осьовому напрямку і в такий спосіб перпендикулярно до площини підкладки. Для цього використовується фармацевтичний автоматичний укладальник (не показаний).

Альтернативно до цього неспечені заготовки Зп, Зр можна вставляти в наскрізні отвори підкладки 1 вручну. Леговані акцепторними і донорними домішками неспечені заготовки Зр, Зп розташовують поряд одну з одною в порядку, що чергується. По дві сусідні між собою неспечені 60 заготовки, одна з яких легована акцепторними, а інша легована донорними домішками,

утворюють надалі одну термопару. При поміщенні неспечених заготовок у підкладку не суттєво, чи вставляються в підкладку спочатку всі неспечені заготовки одного типу, а потім іншого типу або неспечені заготовки одного й іншого типів вставляються в підкладку в порядку, що чергується, або рядами або ж по будь-якій іншій схемі.

Потім підкладка 1 зі вставленими в неї неспеченими заготовками З розташовується між двома загалом плоскими електродами 12а, 125 (див. фіг. 4). При цьому важливе значення має розташування підкладки 1, першого електрода 12а і другого електрода 1260 в паралельній одна до одної орієнтації.

На відміну від цього немає значення, чи розташовуються торцеві сторони вставлених у підкладку неспечених заготовок З в одній загальній площині, тобто на одному рівні. З наведеного на фіг. 4 зображення випливає, що неспечені заготовки поміщені в підкладку 1 з неоднорідним осьовим зміщенням відносно неї, внаслідок чого їх торцеві сторони не лежать в одній площині. Обумовлено це тим, що автоматичний укладальник працює не занадто точно, але зате з високою швидкістю.

Згідно з винаходом торцеві сторони неспечених заготовок встановлюють в одній площині, відповідно на одному рівні за допомоги електродів. Для цього обидва електроди 12а, 125 переміщують один до одного, кожен з яких при цьому проходить відстань дх, при збереженні їх паралельності. При цьому плоскі електроди входять у контакт з торцевими сторонами неспечених заготовок і вирівнюють їх по одному рівню, в результаті чого торцеві сторони, які знаходяться з однієї сторони підкладки, виявляються розташованими в площині контактуючого з ними, а торцеві сторони, які знаходяться 3 іншої сторони підкладки, виявляються розташованими в площині контактуючого з ними електрода 12а, відповідно 1260. Як показано на фіг. 5, всі неспечені заготовки Зп, Зр в кінцевому підсумку знаходяться на одному рівні.

Оскільки торцеві сторони всіх неспечених заготовок Зп, Зр безпосередньо прилягають до електродів 12а, 126, через неспечені заготовки можливе замикання електричного ланцюга і механічного силового потоку між електродами.

Сказане проілюстровано на фіг. 6. До кожного з обох електродів докладають орієнтоване вздовж осей неспечених заготовок, діюче в напрямку підкладки 1 зусилля ЕР. Його величина з урахуванням площі торцевих сторін неспечених заготовок, з якими торцевими сторонами контактують електроди, задана такою, що на активний матеріал діє механічна стискальна напруга величиною 30 МПа. Крім того, до електродів докладають змінну напругу АС з частотою 50 Гц, величина якого задана такою, що через неспечені заготовки з урахуванням площі їх торцевих сторін, з якими контактують електроди, проходить змінний струм з щільністю 50 кА/м.

Внаслідок омічного опору активного матеріалу неспечені заготовки нагріваються до температури в межах від 300 до 400 "С, в яких лежить також оптимальна температура спікання.

Під дією механічного тиску окремі частинки неспечених заготовок спікаються між собою, в результаті чого спресований порошковий матеріал перетворюється у твердий спечений виріб.

Продукти спікання неспечених заготовок являють собою гілки 13 термоелектричного елемента.

При спіканні неспечені заготовки скорочуються (ущільнюються), і тому гілки термоелектричного елемента мають, відповідно, менший об'єм (усадка при спіканні). З метою збереження електричного і механічного контакту між неспеченими заготовками З і електродами 12 незважаючи на прогресуючу усадку при спіканні кожний з обох електродів 12а, 126 переміщують в міру усадки при спіканні в напрямку підкладки 1 при збереженні їх паралельності на відстань ду (фіг. 7).

Довжина неспечених заготовок З вибрана з урахуванням усадки при спіканні такою, що гілки 13п, 13р термоелектричного елемента після спікання розташовуються врівень, відповідно врівень з підкладкою 1 (див. фіг. 8). При використанні комбінації таких матеріалів, як матеріал

Ратішйтетт?е і телурид бісмуту, (осьовий) надлишковий розмір неспечених заготовок повинен складати приблизно 15 95 товщини підкладки з тим, щоб у процесі спікання неспечені заготовки скорочувались у результаті своєї усадки до товщини підкладки. Завдяки цьому відпадає потреба в подальшому окремому згладжуванні виробу. Крім того, обмеження відстані, на яку при спіканні переміщують кожний із електродів у напрямку підкладки, величиною Ду запобігає защемленню і стисканню підкладки 1ї між обома електродами 12а, 125. В іншому випадку можлива пружність матеріалу підкладки могла би призвести до пружного відновлення підкладкою своєї вихідної форми з виступанням однієї й іншої поверхонь підкладки над торцевими поверхнями гілок термоелектричного елемента, що ускладнило би подальше забезпечення контактування цих гілок між собою. Більш того, безпосередньо після закінчення процесу спікання одержують напівфабрикат 14 подальшого термоелектричного елемента, чий напівфабрикат з обох своїх сторін є рівним і у чийого напівфабрикату з обох його сторін торцеві поверхні гілок 13 термоелектричного елемента розташовуються врівень з поверхнею підкладки.

Такий напівфабрикат 14 показаний на фіг. 8.

Для виготовлення термоелектричного елемента 15 з його напівфабрикату гілки необхідно попарно з'єднати в термопари 16. Для утворення однієї термопари 16 необхідно по одній гілці 1Зр з легованого акцепторними домішками активного матеріалу і по одній гілці 13п з легованого донорними домішками активного матеріалу. Крім того, термопари 16 повинні бути з'єднані між собою за послідовною схемою. Реалізація обох умов забезпечується за допомоги контактних перемичок 17, які мають добру електро- і теплопровідність і які припаюють до торцевих сторін гілок 13п, 1Зр позмінно з одного й іншого боку підкладки (фіг. 9).

Одержаний таким шляхом термоелектричний елемент 15 уже працездатний у подібному вигляді. При поміщенні підкладки 1 між джерелом тепла і тепловідведенням, в результаті чого по контактним перемичкам і по гілках 13 термоелектричного елемента починає проходити тепло з одного боку підкладки на її інший бік, з вільних з одного свого кінця контактних перемичок 177, 17 можна знімати термоелектричну напругу. У цьому випадку термоелектричний елемент 15 працює як термоелектричний генератор. І навпаки, при докладанні електричної напруги до вільних з одного свого кінця контактних перемичок 177, 17. можна індукувати виникнення теплового потоку в напрямку від холодної сторони підкладки до її теплої сторони (елемент

Пельте). Щоб уникнути електричне коротке замикання весь термоелектричний елемент 15 варто було б додатково забезпечити теплопровідним і електрично ізолюючим чохлом, який захищає його також від механічного пошкодження (не показаний).

На фіг. 10 проілюстрований особливо раціональний варіант, в якому процес спікання проводять одночасно на декількох підкладках 1, Тії і її з поміщеними в них неспеченими заготовками. Для цього три підкладки ії, її ії 1її розташовують між двома електродами 17а і 125. Між розташованою всередині підкладкою її і кожною з обох розташованих зовні підкладок 1 ї ліїї прокладають по плоскій розділовій пластині 1ва, 1856. В результаті утворюється пакет 19.

Обидві плоскі розділові пластини 18а, 186 так само, як і електроди 12а, 12Б, виконані з графіту.

Всі підкладки Ті, ії ї тії, обидва електроди 12а, 1265 і обидві розділові пластини 18а, 18р орієнтовані плоскопаралельно одна до одної і утворюють пакет 19.

Спікання неспечених заготовок проводять у всьому пакеті 19 за одну робочу операцію і

Зо таким чином одночасно виготовляють три напівфабрикати (фіг. 11). Процес спікання неспечених заготовок у пакеті 19 здійснюється аналогічно до того, як це описано вище з посиланням на фіг. 6.

Процес спікання можна також одночасно проводити на декількох підкладках з поміщеними в них неспеченими заготовками, не набираючи підкладки в пакет. Замість цього підкладки розташовують в одній площині поряд одну з одною між електродами. У цьому випадку не потрібне застосування розділових пластин, однак потрібне застосування електродів, площа яких більша площі однієї-єдиної підкладки. Цей варіант здійснення винаходу на кресленнях не представлений.

Можливе також використання обох варіантів розташування підкладок (у вигляді пакета і поряд одна з одною) в поєднанні між собою.

Не залежно від розташування і кількості підкладок між електродами в іншому процес спікання можна вести в режимі, в якому до неспечених заготовок спочатку докладають зусилля

Рі, яке менше зусилля Ехол, яке відповідає руйнівному навантаженню електродів 12а, 126, відповідно розділових пластин 18а, 1856 в холодному стані (при кімнатній температурі То). Потім підводять змінну напругу і таким чином нагрівають неспечені заготовки до температури Траничн., яка нижче температури спікання Тспікан, але при якій руйнівне навантаження графітових елементів підвищується до значення Кугаряч.. Лише після досягнення підвищеної механічної міцності графітових елементів зусилля підвищують до значення Ег2, при якому утворюється потрібний для спікання механічний тиск. Після досягнення цього потрібного для спікання тиску температуру підвищують до необхідної температури спікання Т спікан. і при цих умовах проводять процес спікання. Таким чином, справедливі обидві ці залежності:

КЕ « Вхоп, «Бо « Вгаряч. (1)

То « Т граничн. « Т спікан. (2)

Такий підхід застосовний при спіканні неспечених заготовок в окремих підкладках (фіг. 6), у декількох підкладках, розташованих поруч одна з одною без розділових пластин, або ж у підкладках, набраних у пакети з розділовими пластинами (фіг. 11). Вирішальне значення завжди має найменше руйнівне навантаження застосовних графітових елементів.

Перелік посилальних позначень 1 підкладка бо 1і перша підкладка (розташована зовні)

1ії друга підкладка (розташована всередині) 1ії третя підкладка (розташована зовні) 2 наскрізні отвори

З неспечена заготовка

Зп легована донорними домішками неспечена заготовка

Зр легована акцепторними домішками неспечена заготовка 4 таблетковий прес 5 термоелектричний активний матеріал у порошкоподібному вигляді (Віг Тез) 6 завантажувальна воронка 7 форма 8 не надано 9 нижній пуансон 10 верхній пуансон 11 збірник (у загальному випадку) 11п збірник для легованих донорними домішками неспечених заготовок 11р збірник для легованих акцепторними домішками неспечених заготовок 12а перший електрод 126 другий електрод

Ах відстань, яка проходиться електродами при їх приведенні в контакт з неспеченими заготовками

Ду відстань, яка проходиться електродами при спіканні

Е зусилля

АС змінна напруга 13 гілки термоелектричного елемента 13п гілки термоелектричного елемента з легованого донорними домішками активного матеріалу 13р гілки термоелектричного елемента з легованого акцепторними домішками активного матеріалу 14 напівфабрикат

Зо 15 термоелектричний елемент 16 термопара 17 контактна перемичка 17 вільна з одного свого кінця контактна перемичка 17 вільна з одного свого кінця контактна перемичка 1в8а перша розділова пластина 186 друга розділова пластина 19 пакет

Claims (15)

ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

1. Спосіб виготовлення термоелектричного елемента або принаймні його напівфабрикату, який полягає у виконанні таких стадій: а) готують загалом плоску підкладку з електро- і теплоїзолюючого матеріалу, через яку проходять орієнтовані загалом перпендикулярно до її площини наскрізні отвори, б) готують порошкоподібний термоелектрично активний матеріал, в) активний матеріал спресовують з одержанням неспечених заготовок, при цьому пресування здійснюється у відмінній від підкладки формі, г) неспечені заготовки поміщають у наскрізні отвори підкладки, в результаті чого в кожному з наскрізних отворів вздовж його осі через підкладку проходить по одній неспеченій заготовці, д) підкладку з поміщеними в неї неспеченими заготовками розташовують між двома загалом плоскими електродами, в результаті чого обидва електроди і підкладка виявляються орієнтовані загалом паралельно один до одного, е) торцеві сторони неспечених заготовок приводять у контакт з електродами, в результаті чого між обома електродами через неспечені заготовки утворюється з'єднання, яке передає електричний струм і механічний силовий потік, ж) до неспечених заготовок підводять електричний струм, який проходить між електродами, що спричиняє нагрівання термоелектричного активного матеріалу, 3) до неспечених заготовок докладають стискальне зусилля, яке діє між електродами, в результаті чого термоелектричний активний матеріал навантажується тиском,

и) неспечені заготовки спікають при впливі тиску і тепла з одержанням гілок термоелектричного елемента, к) підкладку і гілюи термоелектричного елемента, які знаходяться в ній, піддають згладжуванню шляхом зближення електродів при збереженні їх паралельності, в результаті чого гілки термоелектричного елемента закінчуються врівень з підкладкою, при цьому усувається можливе осьове перекошення неспечених заготовок у підкладці, а також компенсується їх усадка при спіканні.

2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що декілька підкладок з поміщеними в них неспеченими заготовками об'єднують у пакет, в якому при цьому підкладки розташовуються паралельно одна до одної і між кожними двома сусідніми між собою підкладками прокладено по загалом плоскій розділовій пластині, яка розташовується паралельно до підкладок і яка утворює електропровідне і силопередавальне з'єднання між неспеченими заготовками в сусідніх підкладках, і потім весь такий пакет розташовують між обома електродами.

3. Спосіб за п. 1 або п. 2, який відрізняється тим, що декілька підкладок з поміщеними в них неспеченими заготовками розташовують окремо, відповідно в набраному в пакет вигляді в одній площині між обома електродами.

4. Спосіб за будь-яким із пп. 1-3, який відрізняється тим, що електроди і/або розділові пластини виконані з графіту, при цьому до неспечених заготовок для їх приведення в контакт з електродами докладають перше стискальне зусилля, після чого до неспечених заготовок при дії цього першого стискального зусилля підводять струм до тих пір, поки виконані з графіту електроди, відповідно розділові пластини, не досягнуть температури, при якій виконані з графіту електроди, відповідно розділові пластини, характеризуються підвищеною несучою здатністю, яка перевищує перше стискальне зусилля, і потім до неспечених заготовок докладають друге стискальне зусилля, яке вище першого стискального зусилля і нижче підвищеної несучої здатності.

5. Спосіб за будь-яким із пп. 1-4, який відрізняється тим, що при спресовуванні порошкоподібного активного матеріалу в неспечені заготовки активний матеріал ущільнюють до першої щільності після пресування, яка складає від 75 до 85 95 теоретичної щільності активного матеріалу.

6. Спосіб за будь-яким із пп. 1-5, який відрізняється тим, що спікання неспечених заготовок з одержанням гілок термоелектричного елемента проводять при температурі, яка складає від 50 до 70 95 температури плавлення активного матеріалу.

7. Спосіб за будь-яким із пп. 1-6, який відрізняється тим, що неспечені заготовки при докладанні до них діючого між електродами стискального зусилля ущільнюють до другої щільності після пресування, яка складає від 90 до 97 9о теоретичної щільності активного матеріалу.

8. Спосіб за будь-яким із пп. 1-7, який відрізняється тим, що неспечені заготовки мають форму кругового циліндра.

9. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що кожна з неспечених заготовок має з торцевої сторони по фасці.

10. Спосіб за п. 8 або п. 9, який відрізняється тим, що в неспечених заготовках їх бокова поверхня характеризується певним відповідно до стандарту ОІМ 4766 Т2 середнім арифметичним відхиленням профілю Ва в межах від 12 до 24 мкм.

11. Спосіб за будь-яким із пп. 1-10, який відрізняється тим, що неспечені заготовки поміщають у наскрізні отвори із заклинюванням у них, за вибором використовуючи конічні неспечені заготовки і/або наскрізні отвори або виконуючи неспечені заготовки з радіальним надлишковим щодо наскрізних отворів розміром.

12. Спосіб за будь-яким із пп. 1-11, який відрізняється тим, що порошкоподібний термоелектричний активний матеріал готують у сухому стані в таблетковому пресі, в якому розташовують форму, в якій активний матеріал спресовують у неспечені заготовки, і з якого неспечені заготовки виштовхують невпорядковано.

13. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що неспечені заготовки захоплюються вручну або транспортувальним пристроєм і окремо, і впорядковано поміщаються в наскрізні отвори підкладки.

14. Спосіб за будь-яким із пп. 1-13, який відрізняється тим, що як матеріал підкладки використовують композиційний матеріал з неорганічних сировинних матеріалів і зв'язувальних.

15. Спосіб за п. 14, який відрізняється тим, що композиційний матеріал являє собою шаруватий матеріал, неорганічні сировинні матеріали вибрані з групи, яка включає слюду, перліти, флогопіти, мусковіти, а зв'язувальне являє собою силікон, силіконову смолу або (516) епоксидну смолу.