и тока является шунтирующее влияние электрических контактов. На рис. IV.25, IV.26 приведены зависимости перепадов температуры от тока и напряженности магнитного поля.

На прямоугольном образце из Bige-Sbi размерами И X 3 X X 4 мм в магнитном поле ,65 Т [38], направленном вдоль бинарной оси, получено снижение температуры на 22 К от 166 К.

40/А

Рис. 1V.25. Зависимость перепада температуры от тока через термоэлемент Эттингсгаузена из висмута при охлаждении от комнатных температур:

У -ЮТ; 2, 3 - 9 т. Нумерация кривых соответствует нумерации образцов в табл. 1V.2 [110].

Рис. IV.26. Зависимость перепада температуры от напряженности магнитного поля для термоэлемента Эттингсгаузена из Ьисмута при охлаждении от комнатных температур для образца № 1 (см. табл. IV.2) [110].

Охлаждающие элементы экспоненциальной формы. Результаты, полученные на образцах [113, 119, 126] из 97% Bi, 3% Sb, приведены на рис. IV.27. Размеры образца даны в миллиметрах.

Из кристаллического висмута изготовлен элемент экспоненциальной формы [108, 110, 111], измеренный при температуре горячей

грани 301 К в вакууме 3 10~* мм рт. ст. (см. рис. IV.24). Размеры образца: 1,9 см вдоль направления тока, 0,5 см вдоль градиента температуры, 1,65 см у основания вдоль направления магнитного поля. Отношение площадей горячей и холодной граней 128.

Рис. IV.27. Зависимость перепада температуры от напряженности магнитного поля на термоэлементе Эттингсгаузена экспоненциальной формы (BigSbs). Температура горячей грани:

/ - 156 К; 2-195 К; 3- 77 К [ИЗ].

Зависимости .перепада температуры от тока через термоэлемент при различных напряженностях магнитного поля приведены на рис. IV.28. Из рисунка видно, что при напряженностях более 10 Т

1,2 5Т

перепад температуры возрастает несущественно. Получен максимальный перепад 101 К, рассчитанный по формуле (IV.105) перепад составляет 113 К. При отношениях площадей холодной и горячей гра-

10 20 30 40 50 60 70 80 /А

0,4 0,8 1,2 ВТ

Рис. IV.28. Зависимость перепада температуры от тока через термо-влемент Эттингсгаузена экспоненциальной формы из висмута. Напряженности магнитного поля:

/ -10,99 Т} 2 = 9,15 Т; 3 - 6,4 Т; 4 - 3,66 Т; 5 - 0,91 Т [110].

Рис. IV.29. Зависимость перепада температуры от напряженности магнитного поля на образце экспоненциальной формы из Biei Sbg [57]. Температура горячей грани: / - 120 К; 2 -170 к.

ней 12 получен перепад 71 К, рассчитанный - 67 К. При измерениях в воздушной атмосфере перепад температуры уменьшается на несколько градусов. Значение ZTя= 0,3-г-0,4.

Для экспоненциального элемента с соотношением площадей горячей и холодной граней 25 [56-60] измерены перепады температуры в интервале 120-170 К. Результаты приведены на рис. IV.29. Получен перепад около 70 К. -В интервале 170-200 К этот перепад сохраняется почти постоянным.

6. Спиральные и кольцевые охлаждающие элементы

Кроме обычных термоэлементов прямоугольной и экспоненциальной форм [114, 139] известны термоэлементы, у которых рабочее тело имеет цилиндрическую симметрию. Такие термоэлементы изготовляются в виде цилиндра нли цилиндрической спирали и спирали рулонного типа . Такие элементы могут использоваться с радиальными магнитными полями и радиальными тепловыми потоками. Варианты таких термоэлементов изображены на рис. IV.30. Охладители такого типа описаны в работах [52, 98, 127]. К их преимуществам относят отсутствие коммутационных спаев и возможность согласования с источником питания..

Особый интерес представляет возможность питания термоэлемента переменным током. Для этого необхбдимо при изменении направления тока через элемент одновременно изменять направление магнитного поля. Такое устройство [127] изображено на рис. IV.31.

Рис. IV.30. Варианты спиральных гальваномагнитных охлйдителей

а, б - с радиальным тепловым потоком q; в, г - с радиальным магнитным полем Н.

Рис, IV.31. Спиральный гальваномагнитный охладитель (питание переменным током):

/ - охлаждаемая полость; 2 - рабочее тело термоэлемента с термостатированной внешней цилиндрической поверхностью; 3 - соленоид [127].

Рис. IV.32. Цилиндрический гальваномагнитный охладитель:

J - ихлаждающнй Элемент; 2 - тороидальная обмотка для создания магнитного поля; 3 - Электрические контакты охлаждающего элемента [138].

Рис. IV.33. Общий вид (а) и схема включения (б) цилиндрического гальваномагнитного охладителя с индуктивной связью: / - рабочее тело элемента; 2 - тороидальная об. мотка а обмотка питания термоэлемента [138].

Рис. IV.34. Цилиндрический гальваномагнитный охладитель с тепловым потоком вдоль образующей цилиндра:

1 - рабочее тело элемента; 2, 3 - контакты иа внутренней н внешней поверхностях цилиндра; 4 - тороидальная обмотка [138].

Рис. IV.35. Гальваномагнитный охладитель без влектрических контактов:

/ - рабочее тело; 2 соленоид [138J.

Магнитное поле образуется соленоидом, установленным соосно со спиральным элементом. Спираль и соленоид включены последовательно с источником переменного тока. На рис. IV. 32 - IV.35 изображены варианты [138] аналогичных гальваномагнитных охладителей переменного тока. На рис. IV.32 рабочее тело элемента имеет цилиндрическую форму, магнитное поле создано тороидальной обмоткой, ток подключен последовательно через обмотку, верхнюю и нижнюю плоскости цилиндра; тепло эффектом Эттингсгаузена отводится в радиальном направлении от внутренней цилиндрической поверхности к наружной. Индуктивную связь с источником питания можно осуществить дополнительной тороидальной обмоткой, которой создается магнитное поле как в рабочем теле элемента, так и в обмотке, питающей термоэлемент (рис. IV.33). Тепловые потоки вдоль

Рис. IV.36. Гальваномагнитный охладитель и соленоид для образования магнитного поля:

/-образец нз висмута; г - теплопроводящая изоляция; 3 теплопоглощающая пластина; 4 - соленоид 175].

образующей цилиндра возникают, если электрический ток протекает радиально между его поверхностями. Верхняя плоскость цилиндра охлаждается при термостатировании нижней или наоборот (рис. IV.34). На рис. IV.35 приведен охладитель, не имеющий электрических контактов; электрический ток возбуждается в цилиндрическом рабочем теле элемента магнитным полем соленоида, это же поле используется для работы гальваномагнитного охладителя. Ток, индуцированный в цилиндре, должен быть сдвинут по фазе на 180° относительно тока в обмотке. В элементе возникают радиальные тепловые потоки. При термостатировании внешней поверхности цилиндра внутренняя может быть охлаждена.

Конструкция гальваномагнитного охладителя с соленоидом для создания магнитного поля описана в патенте [75]. Холодильник из Bi - Sb размещен внутри соленоида перпендикулярно магнитному потоку (рис. IV.36). При токе 15 А и температуре среды 77 К (жидкий азот) получен перепад температуры около 5 К.

7. Перспективы

применения гальваномагнитиого охлаждения

До настоящего времени нет сведений о широком применении гальваномагнитиого охлаждения. Описаны различные проекты и макеты охлаждающих устройств, где гальваномагнитный охладитель используется при пониженных температурах (ниже 200 К). Такие охладители рассматриваются как перспективный элемент в составе многокаскадных охлаждающих устройств от 300 К до температур жидкого азота [61]. Основные преимущества гальваномагнитиого охлаждения при низких температурах - большая, чем у термоэлектрического холодильника, добротность и простое каскадирование. Однако, как и у иных твердотельных охладителей, холодильный коэффициент чрезвычайно мал, поэтому их использование представляется перспек-

тивным для охлаждения и термостабилизации небольших объектов: фоторезисторов, предусилителей, микроэлектронных схем и т. д. Необходимость магнитного поля не является сдерживающим фактором - в настоящее время разработаны постоянные магниты высокого качества, легко обеспечивающие при небольших объемах и массе требуемую магнитную индукцию. К преимуществам гальваномагнитного охлаждения (как и иных вариантов твердотельных охладителей) относят надежность, малую массу, практически неограниченный ресурс работы, компактность и сочетание с миниатюрными охлаждаемыми узлами. Перспективы применения рассмотрены во многих работах (например, [16, 32, 52-54, 85, 91, 106, 122, 125]).

Особо рассматриваются возможности применения гальваномагнитиого охлаждения в интервале 2-10 К. Экспериментально этот вопрос изучался на графите [94, 142]. В относительно малых магнитных полях (до 0,05 Т) получены небольшие охлаждения. При уменьшении решеточной теплопроводности графит рассматривается как перспективный материал для охлаждения при низких температурах. Предложено [118] использовать гальваномагнитное охлаждение в сверхпроводящих кабелях. Магнитное поле создается соленоидами, включенными последовательно с охлаждающими элементами, вмонтированными на кабеле.

§ 3. Магнетотермоэлектрический термоэлемент

Является разновидностью термопарного элемента (рис. IV.I), в котором различие термоЭДС в ветвях или рост добротности достигается при воздействии магнитным полем. Для расчета параметров охлаждающего магнетотермоэлектрического термоэлемента могут быть использованы выражения для обычного термопарного элемента (гл. IV, § 1), если положить ai = ai( ), а2 = а2{Н), ai = ai{H), 02==02( ), <i = Xi(/f), Ха = Ид ( )-соответствующие значения термоЭДС, электро- и теплопроводности материалов ветвей термоэлемента в магнитном поле.

Повышенный интерес к магнетотермоэлектрическим охлаждающим элементам вызван возможностями существенного увеличения добротности термоэлектрических материалов в магнитном поле [61]. Такое увеличение происходит, например, в сплавах Bi -Sb: в интервале , температуры 150 - 200 К получен для п-ветви ZjyTx 1,3. Рост магнетотермоэлектрической добротности Zj обусловлен не только изменением спектра носителей тока в магнитном поле, но и влиянием вторичных термомагнитных эффектов [58, 88]. По этой причине гальваиомагнитная добротность становится существенно зависящей от геометрических размеров ветви термоэлемента. Это обстоятельство существенно осложняет расчет термоэлементов и вызывает противоречивые требования при межкаскадном согласовании, удовлетворении условиям достижения оптимального тока и выборе геометрических размеров для обеспечения максимального значения Zj-.

Для сплавов Bi - Sb наибольшие снижения температур достигнуты при ориентации материала ветви таким образом, чтобы направление тока совпадало с тригональной осью, а магнитное поле