§ 2. МНОГОКАСКАДНЫЕ ТЕРМОЭЛЕМЕНТЫ

Как указывалось выше, многокаскадный термоэлемент позволяет получить перепад температур значительно больший, чем однокаскадный. При этом, однако, уменьшается холодопроизводительность термоэлемента. В ряде приборов, где тепловая нагрузка на термоэлемент невелика, широко используются двухкаскадные термоэлементы. При конструировании их основные задачи сводятся к осуществлению токоподвода ко второму каскаду и 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 удовлетворять двум исключающим друг друга условиям. С одной стороны, он должен обладать достаточным сечением, чтобы в нем не выделялось в значительном количестве Джоулево тепло, которое будет создавать вредную тепловую нагрузку на термоэлемент, и, с другой стороны, токоподвод должен обладать большим тепловым сопротивлением, чтобы свести к минимуму приток тепла через него из окружающей среды к термоэлементу.

Наиболее рациональное решение этой проблемы — осуществление единого питания как первого, так и второго каскадов термоэлемента. Схема такой системы приведена на рис. 22. Она предусматривает параллельное питание каскадов. Сечение ветвей

Рис. 22. Двухкаскадный термоэлемент с параллельным питанием каскадов.

термоэлементов и их количество в первом и втором каскадах 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 соответственно 2/3 и 1/3 общего тока.

Как указывалось выше, при параллельном питании холодопроизводительность второго каскада будет невелика, в связи с чем подобные 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 двухкаскадного термоэлемента с последовательным питанием каскадов (рис. 23). Термоэлементы первого каскада 1 через электроизолированные коммутационные пластины 2 соединяются с термоэлементами второго каскада 3. Подключение питания к термоэлементу производится в местах, обозначенных на рисунке стрелками. Выбор оптимальных режимов работы первого и второго каскадов осуществляется путем соответствующего расчета сечения и высоты ветвей термоэлементов.

Рис. 23. Двухкаскадный термоэлемент с последовательным питанием каскадов.

Принципы параллельного и последовательного соединения ветвей в двухкаскадном термоэлементе могут быть использованы и при конструировании трехкаскадных термоэлементов с последовательным (рис. 24, а) либо последовательно-параллельным (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 трехкаскадный 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 термобатарея с последовательно-параллельным питанием каскадов, которая обеспечивала перепад температур в 102°.

При конструировании многокаскадных термоэлементов и термобатарей необходимо строго учитывать холодопроизводительность отдельных каскадов так, чтобы нижележащие каскады были способны полностью принять тепло, выделяющееся на горячих спаях верхних каскадов. Было установлено, что для эффективной работы трехкаскадной термобатареи с последовательным питанием каскадов отношение количества термоэлементов в каскадах должно быть не менее 1 : 3, т. е. на один термоэлемент третьего каскада должно быть 3 термоэлемента второго каскада и соответственно на 3 термоэлемента второго каскада должно быть 9 термоэлементов в первом каскаде.

Рис. 24. Схема коммутации трехкаскадной термобатареи с последовательным (а) и последовательно-параллельным (б) питанием каскадов.

Следует отметить, что для эффективной работы многокаскадной термобатареи при ее конструировании должна быть учтена зависимость электропроводности материала термоэлементов от температуры. Это значит, что в каждом каскаде должны быть использованы вещества, у которых для данной температуры каскада электропроводности были бы оптимальны.

Создание термоэлементов и термобатарей с количеством каскадов более трех сопряжено со значительными конструктивными усложнениями, которые не оправдываются тем небольшим увеличением перепада температур, который дает четырехкаскадный термоэлемент по сравнению с трехкаскадным.