§ 4. ТЕПЛОВОЕ СОПРЯЖЕНИЕ ТЕРМОБАТАРЕИ

Для нормальной работы термоэлектрического охлаждающего устройства необходимо осуществить наиболее эффективное тепловое сопряжение термобатареи с подлежащими охлаждению объемом либо поверхностью, с одной стороны, и системой теплоотвода — с другой. Место теплового сопряжения должно обладать малым тепловым сопротивлением и большим электросопротивлением. Кроме того, при осуществлении теплового сопряжения должно быть выполнено условие обеспечения надежной механической прочности всех сопрягаемых узлов друг с другом.

В первых конструкциях термоэлектрических холодильников (1956 г.) тепловое сопряжение осуществлялось посредством слюдяной прокладки толщиной Для лучшего теплового контакта поверхность слюды покрывалась тонким слоем минерального масла. Теплопереход через слюду создавал паразитный перепад температуры в 10—12° при тепловых потоках Поскольку этот способ теплового сопряжения не обеспечивал механической прочности конструкции прибора, в дальнейших конструкциях приборов сопряжение осуществлялось посредством алюминия, на котором в нужных местах электрохимическим путем создавался тонкий слой окиси алюминия Подлежащие сопряжению детали склеивались вместе посредством

эпоксидного компаунда. Схематически подобный узел изображен на рис. 30. Здесь на алюминиевую плату 2, являющуюся основанием радиатора 3, нанесена пленка 1 окиси алюминия. 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 компаундом эта система сопряжения обладала достаточной механической прочностью. Паразитный перепад на электроизоляционном слое составлял 3—5° при потоке в Однако при нарушении электроизоляции хотя бы между одной коммутационной пластиной и основанием требуется произвести разборку всей термобатареи, что является весьма трудоемкой операцией. Стало очевидным, что наиболее технологичное тепловое сопряжение термобатареи можно осуществить через единичные теплопереходы, размеры которых в каждом конкретном случае определяются конструкцией термобатареи. Кроме того, что наиболее важно, использование единичных теплопереходов не требовало разборки всей термобатареи при выходе отдельных теплопереходов из строя. В связи с этим все последующие конструкции термоохлаждающих приборов собирались на единичных теплопереходах.

Рис. 30. Схема теплового сопряжения термобатареи с оксидированной алюминиевой радиаторной платой.

Были разработаны 5 типов теплопереходов, отличающихся друг от друга как своими теплотехническими параметрами, так и технологией изготовления.

В 1958 г. в ряде приборов стал применяться теплопереход, состоящий из двух медных пластин определенного размера, склеенных друг с другом термореактивным эпоксидным компаундом. Электроизоляция между пластинами осуществлялась за счет тонкого слоя окиси меди, полученной на медной поверхности путем обработки ее в водном растворе персульфата калия и едкого натра. После склейки и 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 механического нарушения слишком тонкого слоя окиси меди. Создание толстого слоя окиси на меди химическим путем не представлялось возможным. Кроме того, слой смолы толщиной

обладал относительно большим тепловым сопротивлением, в результате чего при плотностях теплового потока в паразитный перепад температур на теплопереходах был равен 3.7°.

Следующая конструкция электроизолированного теплоперехода предусматривала опять же склейку медных пластин, но череа тонкую кабельную бумагу. Склейка осуществлялась термореактивным эпокс компаундом. Для уменьшения толщины слоя компаунда между пластинами последние предварительно тщательно притирались на плоскость. Электрическая изоляция 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 припоями. Конструкция теплоперехода с использованием бумаги в качестве электроизоляционного слоя, однако, оказалась трудоемкой в изготовлении, так как необходимо было тщательно притирать медные пластины на плоскость. Кроме того, в результате остаточных механических напряжений, возникающих в медных пластинах при их механической обработке и притирке в процессе полимеризации эпоксидного компаунда при температуре 160—180°, имело место некоторое коробление пластин, что ухудшало качество прилегания и соответственно увеличивало тепловое сопротивление теплоперехода.

В связи с этим была разработана Система теплоперехода, свободная от перечисленных выше недостатков. Этот теплопереход состоял из медной пластины, обработанной на плоскость с одной стороны на токарном или фрезерном станке. Затем на обработанную сторону медной пластины через бумагу толщиной термореактивным эпокс! 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 прилегание свинца к меди в процессе полимеризации смолы. Последующая припайка к теплопереходу ветвей термоэлемента производится со стороны свинца, который в данном случае является одновременно и демпферным слоем, принимающим на себя механические напряжения, возникающие в термоэлементе.

На теплопереходах медь—бумага—медь и медь—бумага—свинец при потоке паразитный перепад температуры был равен 2.3°.

Принципиально новая система электроизолированного теплоперехода была предложена Щербиной. Этот гофрированный теплопереход, схема которого приведена на рис. 31, образован двумя медными полосами 1 и 4 толщиной с бумажной прокладкой 3 между ними толщиной Такой цакет на специальном станке формуется в «гармошку», после чего пропитывается термореактивным эпоксидным компаундом 2. За счет

большой поверхности прилегания медных полос тепловое сопротивление между ними, даже несмотря на относительно толстый слой бумаги, оказывается весьма малым. Сверху и снизу к гофрам припаиваются медные прокладки, для того чтобы разгрузить тонкую медь гофр от тока, питающего термобатарею. По этим же накладкам осуществляется припайка теплоперехода в приборе.

Гофрированный теплопереход медь—бумага—медь не может работать во влажной атмосфере, присущей кондиционерам и некоторым другим приборам, так как из-за гигроскопичности бумаги сопротивление теплоперехода значительно падает. Для работы в условиях повышенной влажности вместо бумаги в качестве электроизоляционного слоя применяют ленточный фторопласт. Теплопереходы на фторопласте не теряют своих электроизоляционных свойств, даже будучи полностью погруженными в воду. Однако из-за несмачиваемости фторопласта эпоксидной смолой в гофрах теплоперехода остается воздух, наличие которого ухудшает теплотехнические свойства теплоперехода. Паразитный перепад температур, отнесенный к тому же потоку в на гофрированном теплопереходе с фторопластом был равен 2.1°, в то время как на гофрированном теплппереходе с бумагой он был равен 1.7°.

Рис. 31. Схема устройства гофрированного теплоперехода.

К недостаткам гофрированных теплопереходов следует отнести их относительно большую высоту что особенно 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 теплопереход, который сделан из керамики, заключенной между двумя медными пластинами. Основное достоинство керамического теплоперехода перед всеми другими заключается в его простоте, надежности, технологичности и высоких электрических и тепловых 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 алундовой керамики весьма высокая (временное сопротивление на разрыв на сжатие — Срмое существенное,

что в ряде отраслей промышленности, и в частности в конденсаторной, уже давно освоен метод металлизации керамики, позволяющий в дальнейшем надежно припаивать ее к металлу. Небольшой коэффициент линейного расширения практически полностью исключает «гуляние» теплоперехода под влиянием изменяющейся температуры. Керамические теплопереходы допускают многократную пайку всеми мягкими и даже твердым припоем без какого-либо нарушения своих свойств.

Рис. 32. Зависимость паразитного перепада температур от величины теплового потока для различных теплопереходов. 1 — оксидированная склейка; 2 — склейка через бумагу; 3 — гофра (фторопласт); 4 — гофрабумага; 5 — керамический.

Следует отметить, что существующее у некоторых мнение о большой перспективности теплопереходов с керамикой из окиси бериллия — безосновательно, так как, хотя окись бериллия и обладает феноменально большим коэффициентом теплопроводности, чрезвычайно большая токсичность вряд ли позволит применять ее в теплопереходах. Алундовый теплопереход обладает наименьшим из всех известных паразитных перепадов температуры. При плотности потока перепад на этом теплопереходе был равен 1.3°.

На рис. 32 приведены экспериментально снятые зависимости паразитного перепада температур на различных типах теплопереходов от плотности теплового потока.

Рис. 33. Разрез теплоперехода для больших тепловых потоков.

Небезынтересно отметить еще один способ изготовления керамического теплоперехода. Способ этот заключается в следующем. Сначала медная основа методом «напыла» (шоопирова-ние) покрывается слоем окиси алюминия толщиной Затем сверху этого слоя опять же «напылом» наносится слой меди толщиной После соответствующей тепловой нормализации и механической обработки получается керамический теплопереход с довольно высокими электрическими и тепловыми свойствами.

При тепловых потоках через теплопереход, превышающих и невозможности сильно развить его поверхность можно использовать конструкцию, схематически изображенную на рис. 33.

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 алюминиевой бобышки методом электрохимического анодирования покрывается тонким слоем окиси алюминия, после чего бобышка заливается легкоплавким сплавом 5. Подобный теплопереход использован в некоторых типах высоковакуумных термоэлектрических ловушек.