§ 3. МНОГОКАСКАДНЫЕ ТЕРМОБАТАРЕИ

Как указывалось выше, в термоэлементе под влиянием проходящего тока создается разность температур между его холодным и горячими спаями. Очевидно, что температура на холодном спае будет зависеть от температуры горячих спаев. Понижая тем или иным способом температуру горячих спаев, можно достигнуть более низкой температуры на холодном спае. Один из возможных способов решения этой задачи — использование многокаскадных термобатарей.

Рассмотрим в качестве примера принципиальное устройство трехкаскадной батареи. Горячие спаи верхнего каскада термоэлемента опираются на холодные спаи термоэлементов второго каскада. Горячие спаи термоэлементов второго каскада опираются на холодный спай первого каскада. Между термоэлементами прокладываются возможно более тонкие электроизоляционные прослойки. Каждый термоэлемент образует самостоятельную электрическую цепь. При таком способе холодный спай нижнего

термотермоэлемента снимает тепло с горячего спая среднего, а холодный спай среднего термоэлемента охлаждает горячий спай верхнего термоэлемента. При этом холодопроизводительность каждого каскада должна быть такой, чтобы обеспечить эффективный отбор тепла от вышележащих каскадов.

Один из основных параметров многокаскадного термоэлемента — холодильный коэффициент — определяется следующим образом. Пурть. холодопроизводительность первого каскада будет его холодильный коэффициент — и потребляемая от источника питания мощность Соответствующие величины для второго каскада обозначим через Тогда, согласно (13), потребляемая первым каскадом мощность будет равна

Второй каскад должен обладать холодопроизводительностью

третий каскад —

и каскад —

Но ем слагается из двух частей — мощности, потребляемой всей термобатареей и ее холодопроизводитёльности

где холодильный коэффициент всей батареи в целом.

Сравнение (22) и (23) дает нам выражение для холодильного коэффициента многокаскадной термобатареи:

или

Холодильные коэффициенты последующих каскадов могут быть различны, так как эффективность термоэлемента

вообще говоря, зависит от температуры; кроме того, перепады температур на различных каскадах могут тоже отличаться друг от друга; стационарное же состояние Достигается при такой разности температур на каждом каскаде, при которой его холодопроизводительность становится равной количеству тепла, поступающего на него от предыдущего каскада.

Анализ выражения (25), однако, показывает, что при заданных числе каскадов и перепаде температур на всей термобатарее

холодильный коэффициент всей термобатареи достигает максимума, если

Рис. 4. Зависимость холодильного коэффициента от разности температур для однокаскадного (1) и двухкаскадного термоэлементов.

Холодильный коэффициент -того каскада определяется перепадом температур на нем а перепад температур при заданной (предыдущим каскадом) холодопроизводительности определяется размерами данной термобатареи; последние поэтому должны подбираться таким образом, чтобы (26) выполнялось.

При этом условии

В частности, для двухкаскадной батареи (27) дает

На рис. 4 приведена зависимость холодильного коэффициента от разности температур для одно- и двухкаскадной батареи.

Из графика видно, что преимущества двухкаскадного термоэлемента перед однокаскадным заметно проявляются при малых значениях Однако, когда требуется получить максимальное снижение температуры без учета потребляемой при этом термоэлементом мощности, возможно использование двухкаскадных и редко трехкаскадных термоэлементов. Применение термоэлементов с количеством каскадов более трех является нерациональным, так как холодопроизводительность уже третьего каскада настолько

мала, что использование такого термоэлемента в реальных условиях не всегда представляется возможным. Кроме того, необходимо иметь в виду, что из-за температурной зависимости перепад температур, создаваемый отдельными каскадами, уменьшается с увеличением количества каскадов по квадратичному закону.

Если к этому добавить, что создание уже трехкаскадного термоэлемента сопряжено со значительными конструктивными трудностями, то станет ясно, почему широкое практическое применение получили термоэлементы, содержащие не более трех каскадов.