Глава XI. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ОХЛАДИТЕЛИ ПРИЕМНИКОВ ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ

§ 1. МИКРОТЕРМОСТАТЫ ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ

В последнее время фотосопротивления находят все большее применение в разнообразных автоматических и телемеханических устройствах. Однако основные параметры, характеризующие работу фотосопротивления, сильно зависят от температуры. С понижением температуры фотосопротивления снижается величина собственных шумов, повышается чувствительность, улучшается стабильность и так называемая пороговая чувствительность сдвигается в более длинноволновую часть спектра.

В качестве примера на рис. 73 приведена зависимость одного из важнейших параметров — фототока от температуры для фотосопротивления из сернистого кадмия типа

В современной аппаратуре, использующей фотосопротивления, температура в блоках может достигнуть 70—100°, что делает работу фотосопротивления весьма нестабильной. Общепринятые методы охлаждения — использование холодильных машин или охлаждающих сред (жидкий азот, твердая углекислота) — в силу ряда эксплуатационных неудобств не всегда могут быть применены.

Термоэлектрический метод охлаждения позволил создать малогабаритные устройства, понижающие температуру фотосопротивления относительно окружающей среды до 100°. Кроме того, эти устройства посредством внешней схемы позволяют стабилизировать температуру фотосопротивления на любом заданном уровне с точностью

Рис. 73. Зависимость фототока от температуры для фотосопротивления .

Было разработано 4 конструктивных варианта устройств для охлаждения фотосопротивлений, отличающихся друг от друга максимальной величиной перепада температур, системой съема тепла с термоэлектрической батареи, габаритами и рядом других параметров, обусловленных требованиями эксплуатации.

Приборы всех типов выполнены в виде самостоятельных, конструктивно законченных узлов, которые могут быть непосредственно размещены в аппаратуре.

Рис. 74. Аксонометрический разрез первого варианта микротермостата для охлаждения фотосопротивлений.

На рис. 74 изображен аксонометрический разрез первого варианта прибора.

На алюминиевом основании 8 помещается двухкаскадный термоэлектрический элемент 5, к холодному спаю 1 которого крепится фотосопротивление 2. Для электроизоляции горячих коллекторов термоэлемента 7 от основания последнее электрохимическим путем покрывается тонким (1-2 мм) слоем окиси алюминия. Питание термоэлемента, а также выводы от фотосопротивления и микротермистора через изоляторы 10 присоединяются к октальному ламповому цоколю 13, посредством которого микротермостат подключается к аппаратуре. Герметизация стеклянных

изоляторов в корпусе осуществляется эпоксидной смолой 11. Сверху термопара закрывается колпачком 6, снабженным слюдяным окном 3. Слюда к колпачку и колпачок к корпусу прикрепляются также посредством эпоксидной смолы. Поддержание температуры фотосопротивления на требуемом уровне осуществляется внешней схемой, датчиком которой служит микротермистор 4, присоединенный к холодному спаю термоэлектрической батареи.

Для уменьшения теплообмена между холодным коллектором термоэлемента и расположенным на нем фотосопротивлением с окружающим воздухом внутренний объем прибора вакуумирован. Откачка прибора производится через металлический штенгель 12, который «отпаивается» методом холодной сварки. Крепление микротермостата к аппаратуре осуществляется посредством фланца 9, чем обеспечивается хороший тепловой контакт и соответственно теплоотвод от термоэлемента.

Ниже приводятся основные параметры микротермостата.

(см. скан)

Второй конструктивный вариант прибора предназначен для более глубокого охлаждения фотосопротивления, вплоть до . Полупроводниковая батарея в данной конструкции прибора состоит из трех параллельно соединенных каскадов, причем первый каскад содержит три пары термоэлементов, второй каскад состоит из двух термоэлементов и третий каскад образован одним термоэлементом. Количество термоэлементов в каждом каскаде обусловлено требуемой холодопроизводительностью, которая должна обеспечить прием тепла, выделяемого горячими спаями верхних каскадов. Горячие коммутационные пластины первого каскада термобатареи имеют сквозные каналы для прохождения воды, посредством которой осуществляется съем тепла от термобатареи.

Электрическое питание подключается через две клеммы, припаянные к штуцерам водяного охлаждения.

Все элементы термобатареи заливаются в термореактивный эпоксидный компаунд, после чего система становится единым конструктивно законченным прибором: Фотосопротивление наклеивается на коллектор холодных спаев третьего каскада термобатареи и через 1—2 мин. после включения термобатареи приобретает температуру коллектора.

Для уменьшения теплообмена второго и первого каскадов с окружающей средой вся термобатарея закрывается пенопластом.

Основные параметры прибора этого типа:

(см. скан)

Несмотря на значительный перепад температур, обеспечиваемый описанным трехкаскадным микрохолодильником, его применение возможно в аппаратуре, в которую может быть подана вода. В ряде случаев использования фотосопротивлений это условие не может быть удовлетворено.

Рис. 75. Разрез трехкаскадного охладителя для фотосопротивлений с последовательно-параллельным питанием каскадов.

В связи с этим был разработан третий вариант конструкции микрохолодильника, позволяющий осуществить глубокое охлаждение фотосопротивления при съеме тепла с горячих спаев термобатареи посредством системы воздушных радиаторов, принудительно обдуваемых малогабаритным вентилятором. Прибор предназначался для охлаждения пленочного фотосопротивления, расположенного в вакуумированной стеклянной колбе. Для охлаждения этого фотосопротивления требовался перепад температур в 100° (от окружающей температуры 40°).

В трехкаскадной термоэлектрической батарее прибора в отличие от термобатареи, используемой в предыдущем варианте, где все три каскада были параллельно соединены друг с другом, первый и второй каскады соединены последовательно, а третий каскад — параллельно со вторым. Такой метод соединения каскадов позволяет повысить холодопроизводительность второго каскада при данном рабочем токе, питающем батарею.

Конструктивно прибор выполнен в виде блока-радиатора, на котором расположена термоэлектрическая батарея. Снаружи блок-радиатор закрывается чехлом, снабженным вентилятором, с малогабаритным экономичным электродвигателем.

Разрез этого варианта прибора приведен на рис. 75.

На теплоотводящее основание 1 через специальные теплопе-реходы 2 монтируется первый каскад термоэлектрической батареи 3. Последовательно с ним через теплопереходы 4 соединяются термоэлементы второго каскада 5. Коллекторы холодных спаев второго каскада выполнены в виде разрезанного по диаметру фигурного стержня 6, в верхней части которого находится термоэлемент третьего каскада 7, который соединен параллапьно к термоэлементам второго каскада. В коллектор холодного спая третьего каскада 8 на серебряной амальгаме закреплен микротермистор 9, являющийся датчиком в схеме стабилизации температуры. Расположенное в вакуумной колбе фотосопротивление 10 одевается непосредственно на термоэлемент третьего каскада. Для уменьшения теплопритоков извне служит теплоизоляция 11 и 12, выполненная из пенопласта. Снаружи термобатарея закрывается защитным кожухом из декоративной пластмассы 13. Фотосопротивление крепится на охладителе посредством эпоксидного компаунда 14. Электрическое питание на термобатарею подается через две гибкие шины 15.

Приводим основные параметры этого типа охладителя.

(см. скан)

Общий вид охладителя со снятой теплоизоляцией, установленного на систему воздушного теплосъема, приведен на рис. 76.

Четвертый конструктивный вариант микрохолодильника для фотосопротивлений предназначен для работы в инфракрасном анализаторе жидкости.

В современном химическом производстве широко используется полуавтоматическая аппаратура для анализа различных жидких химических продуктов по спектрам поглощения в них инфракрасного излучения.

Рис. 76. Общий вид трехкаскадного охладителя с системой воздушного теплосъема (теплоизоляция снята).

В качестве детектора ИК-излучения служит специально разработанное для этой цели фотосопротивление типа По условиям эксплуатации окружающая температура может достигать значения 60°, в то же время чувствительность используемого фотосопротивления имеет максимум при 0°. В соответствии с этим требовалось создать термоэлектрический охладитель, имеющий небольшие габариты, экономичный и способный работать в атмосфере некоторых агрессивных веществ.

Было разработано два варианта прибора, отличающихся друг от друга внешним оформлением и предназначенных для установления в различной аппаратуре.

Разрез одного из вариантов прибора приведен на рис. 77. Алюминиевый корпус 1 снабжен системой радиаторных пластин 2,

которые осуществляют теплосъем с горячих спаев термобатареи путем естественной конвекции. В корпусе на двух гофрированных теплопереходах 3 смонтирован термоэлемент 4.

Рис. 77. (см. скан) Разрез охладителя фотосопротивления для инфракрасного анализатора жидкости.

Коллектор холодного спая 5 выполнен в виде кольца, в которое помещается фотосопротивление 6, закрепляемое на термоэлементе накидной гайкой 7. Внутри термоэлемент и фотосопротивление

теплоизолируются от внешней среды двумя блоками пенопласта 8 и 9. В верхнем блоке пенопласта имеется кольцевая канавка 10, в которую помещается силикагель либо алюмогель, служащие для осушки воздуха внутри прибора и тем самым исключающие выпадение росы на фотосопротивлении. Осушитель сверху закрыт мелкой сеткой 11 и пластмассовым кольцом 12.

Рис. 78. Общий вид охладителя фотосопротивления для инфракрасного анализатора жидкости.

Электрическое питание на термоэлемент подается через герметично уплотненные в корпусе две токовые шины 13. Выводы 14 фотосопротивления и микротермистора, служащего датчиком для схемы автоматической стабилизации температуры, также герметизируются в корпусе прибора посредством специального эпоксидного компаунда 15.

Основные параметры описанного типа охладителя приведены ниже.

(см. скан)

Общий вид этого прибора приведен на рис. 78.