ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01L35/22 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в теплоэлектрических генераторах, применяемых преимущественно для энергопитания бытовой аппаратуры, например, радиоприемников.

Известен термоэлектрический генератор для средств связи содержащий сосуд для охлаждающей жидкости, металлический кожух, термоэлектрические батареи, расположенные между сосудом и кожухом, и систему фиксации термоэлектрических батарей. Сосуд, наполненный водой помещался в пламя костра, а теплоотвод в этом генераторе осуществляется за счет кипения воды.

Недостатком известного термоэлектрического генератора являлась низкая эффективность вследствие больших потерь в теплоконтактных переходах и непостоянство термических сопротивлений, так как в известном генераторе не предусмотрена компенсация термических деформаций, а термоэлектрические батареи жестко зафиксированы между металлическим кожухом и сосудом.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрический генератора, содержащий охлаждающий теплообменник, выполненный в виде сосуда для жидкости с утолщением днищем, "горячий" теплообменник в виде массивной плиты, термоэлектрические батареи, к которым через электроизоляционные слои примыкают теплообменники, элементы прижима теплообменников к термоэлектрическим батареям и токоотводы.

Недостатком известного термоэлектрического генератора является сложность конструкции, обусловленная значительным количеством (по числу ветвей в батареях генератора) компенсаторов, каждый из которых включает гибкий элемент между ветвями и коммутационными шинами и элемент прижима, выполненный в виде пружины. Соответственно, увеличивается и стоимость генератора. Кроме того, усложнению конструкции известного термоэлектрического генератора способствует и выполнение токоотводов в виде индивидуальных гермовводов с соответствующим увеличением числа герметизирующих узлов.

Известный термоэлектрический генератор помимо этого имеет низкую эффективность, поскольку "горячий" теплообменник в нем непосредственно соединен по всему периметру двумя параллельными металлическими стенками с днищем сосуда, что приводит к значительным перетечкам тепла помимо термоэлектрических батарей.

Изобретение направлено на упрощение конструкции при одновременном снижении стоимости и повышении эффективности термоэлектрического генератора.

Для достижения указанного технического результата в термоэлектрическом генераторе, содержащем охлаждающий теплообменник, выполненный в виде для жидкости с утолщенным днищем, "горячий" теплообменник в виде массивной плиты, термоэлектрические батареи, к которым через электроизоляционные слои примыкают теплообменники, элементы прижима теплообменников к термоэлектрическим батареям и токоотводы, каждый элемент прижима выполнен в виде пластинчатой пружины изгиба (ППИ), фиксаторов, которые присоединяют ППИ к одному из теплообменников и стяжек, размещенных между фиксаторами, причем один концевой участок каждой стяжки расположен на другом теплообменнике и стяжка выполнена с возможностью перемещения относительно теплообменников, при этом предпочтительно в термоэлектрический генератор вводить металлический трубопровод, один конец которого выведен через отверстие в днище сосуда и герметично закреплен в нем, а другой конец трубопровода выполнен изогнутым и выведен через отверстие в боковой стенке сосуда, герметично закреплен в ней, и токоотводы выведены через трубопровод; днище сосуда и массивная плита имеют форму дисков, размещенных соосно, ППИ размещают взаимно перпендикулярно и проходящими через центр диска, причем термоэлектрические батареи выполнены в виде модулей, которые расположены параллельно ППИ; на охлаждающем теплообменнике фиксаторами закреплены ППИ; "горячий" теплообменник снабжен экраном, выполненным в виде оболочки, охлаждающей боковую поверхность диска, при этом оболочка экранирует боковые поверхности модулей.

В данном термоэлектрическом генераторе элементы прижима выполнены в виде пластинчатых пружин изгиба (в дальнейшем ППИ), прикрепленных фиксаторами к одному из теплообменников (предпочтительно крепить ППИ к внешней поверхности днища для охлаждающей жидкости, т.е. к "холодному" теплообменник, так как при этом уменьшаются термомеханические нагрузки на них при нагреве и работать они будут при пониженной температуре в экзотермических условиях), и стяжек, расположенных между фиксаторами, при этом один концевой участок каждой стяжки опирается на поверхность ППИ, обращенную к теплообменнику, на котором закреплена ППИ, а второй концевой участок стяжки расположен на другом теплообменнике. Тем самым создается система поджима теплообменников к термоэлектрическим батареям при взаимодействии стяжек и ППИ. Стяжки выполняются с возможностью перемещения их относительно теплообменников, предпочтительно в виде системы болт-гайка, так как указанная система обеспечивает максимальное упрощение конструкции элементов прижима и позволяет легко регулировать усилие прижима. Стяжки могут быть выполнены в виде накидных скоб с рядом уступов и т.п. Система элементов прижима в виде ППИ с фиксаторами и стяжками позволяет при максимальном упрощении конструкции обеспечить равномерный прижим по всей поверхности термоэлектрических батарей при эксплуатации батарей в рабочем перепаде температур и одновременно компенсировать термические деформации различных узлов генератора при нагреве. Постоянство усилий прижима термоэлектрических батарей к теплообменникам позволяет обеспечить стабильность термических сопротивлений на пути теплового потока при существенном упрощении конструкции, поскольку прижимные элементы приобретают новые свойства опорных элементов и стягивающих элементов что позволяет в свою очередь сократить общее количество деталей, входящих в состав генератора. Этой же цели способствует и введение в генератор металлического трубопровода, один конец которого выведен через отверстие в днище сосуда и герметично закреплен в нем (например, сваркой с днищем), а другой конец трубопровода выполнен изогнутым, выведен через отверстие в боковой стенке сосуда и герметично закреплен в нем) например, сваркой со стенкой, вклейкой термостойким клеем, термостойкой резиной и т.п. ), что позволяет до минимума сократить количество гермовводов и токоотводы попросту выводятся через трубопровод, а в связи с тем, что при эксплуатации генератора трубопровод все время находится при температуре кипящей воды, токоотводы будут термостабилизированы. Предпочтительно изогнутый конец трубопровода располагать вблизи верхней кромки сосуда, так как в этом случае герметизирующий участок его при эксплуатации практически сразу освобождается от контакта с жидкостью при испарении его верхнего слоя. Кроме того, температура этой зоны ниже, и здесь предпочтительно устанавливать токосъемную колодку, из которой фиксируются окончания трубопроводов.

Для обеспечения равномерности прижима термоэлектрические батареи предпочтительно компоновать в виде модулей и располагать ППИ вдоль этих модулей, так как в этом случае усилия прижима через соответствующие стяжки равномерно распределяются по поверхности модулей. Например, при выполнении теплообменников в виде двух соосно расположенных дисков (что способствует одновременно и уменьшению тепловых утечек) модули желательно располагать вдоль взаимно перпендикулярных осей, проходящих через центр диска, а ППИ размещать вдоль этих модулей. Соответственно формируется система стягивающих нагрузок, распределенных вдоль осей, и сведена к минимуму возможность перекоса и неравномерного прижима. Повышение эффективности генератора способствует выполнение "горячего" теплообменника с экраном, выполненным в виде цилиндрической оболочки, присоединенной по всему периметру к боковой поверхности диска (например, сваркой или винтами), при этом высоту экрана выбирают не более высоты термоэлектрической батареи (максимальное экранирование), поскольку формируется защитный боковой экран, нагреваемый от "горячего" теплообменника и уменьшающий тепловые потери с боковых поверхностей термоэлектрических батарей.

На фиг. 1 изображен термоэлектрический генератор, поперечное сечение; на фиг. 2 - то же, вид снизу (без "горячего" теплообменника); на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2 (пластинчатая пружина изгиба).

Термоэлектрический генератор содержит сосуд 1 для жидкости, металлический трубопровод 2, стяжки 3, пластинчатые пружины изгиба 4, термоэлектрические батареи 5, "горячий" теплообменник 6 с экраном 7, гайки 8, электроизоляционные слои 9, охлаждающую жидкость 10, токосъемную колодку 11, теплоизоляционные прокладки 12, токоотводы 13, фиксаторы 14.

Сосуд 1 для жидкости предпочтительно изготавливать из высокотеплопроводных металлов, например из алюминия или его сплавов, и выполнять с утолщенным (высотой 8-10 мм) днищем, а боковую стенку присоединять к днищу или изготавливать с ним за одно целое. Трубопровод 2 изготавливают из отрезка металлической трубы с изогнутым окончанием, при этом прямолинейный участок трубопровода пропускается через отверстие в днище сосуда 1 и герметично устанавливается в нем, например, сваркой. Аналогично изогнутое окончание трубопровода 2 пропускается через отверстие, расположенное вблизи верхней кромки боковой стенки сосуда 1 и герметично закрепляется в нем, например, сваркой или склейкой. Пластинчатые пружины изгиба 4 предпочтительно изготавливать из полос пружиной стали, например, марок Ст65Г Ст60СА и т.п., толщиной 1,54-3 мм и шириной 84-10 мм. Вдоль центральных осей этих пружин предусматриваются обычно отверстия для прохождения фиксаторов 14 и стяжек 3. Термоэлектрические батареи 5 состоят из полупроводниковых термоэлементов, изготовленных, например, из тройных сплавов на основе теллурида висмута и скоммутированных через коммутационные слои, теплообменник 6 предпочтительно изготавливать из чугуна в виде диска высотой 8-10 мм и присоединять к нему экран 7 из алюминия толщиной 1-2 мм, например, привинчивать или приваривать. Электроизоляционные слои 9 предпочтительно изготавливать из слюды и других материалов. Теплоизоляционные прокладки 12 предпочтительно изготавливать из слюды или асбеста. Стяжки 3 и фиксаторы 14 изготавливаются из нержавеющей стали. В днище сосуда 1 и в "горячем " теплообменнике 6 предусмотрены углубления, в которых располагаются головки стяжек 3 и гайки 8 соответственно. При сборке генератора в углублениях днища сосуда 1 устанавливаются головки стяжек 3 через теплоизоляционные прокладки 12, затем пластинчатые пружины изгиба 4 фиксаторами 14 прикрепляют к днищу сосуда 1, размещают термоэлектрические батареи в виде модулей 5 на внешней поверхности днища сосуда 1, а токоотводы 13 пропускают через трубопровод 2 и гайками 8 обеспечивают прижим к ним "горячего" теплообменника 6 и днища сосуда 1.

Описываемый термоэлектрический генератор работает следующим образом.

В качестве источника тепла используют бытовой или туристический примус (не показан), на котором располагают "горячий" теплообменник 6. Сосуд 1 заполняют охлаждающей жидкостью, например, заливают водой. После того, как подожгли горелку источника тепла, проходит сгорание органического топлива, и продукты сгорания омывают поверхность "горячего" теплообменника 6. Тепловой поток проходит через термоэлектрические батареи 5, создает на термоэлементах перепад температуры, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и по токоотводам 13 в полезную нагрузку (не показано) поступает полезная электрическая энергия. Пластинчатые пружины изгиба 4 через стяжки 3, размещенные между смежными фиксаторами 14, создают постоянный прижим теплообменных поверхностей термоэлектрических батарей 5 к теплообменнику 6 и компенсируют термические деформации деталей термоэлектрических батарей за счет деформации участков пластинчатых пружин изгиба 4, расположенных между фиксаторами 14, как при нагреве, так и в процессе охлаждения. Отработанное тепло через электроизоляционный слой 9 поступает на сосуд 1 и происходит кипение жидкости в нем, обеспечивающее стабильность температуры холодных спаев термоэлементов во всех термоэлектрических батареях 5 при различных температурах окружающей среды.

Описываемый термоэлектрический генератор может быть изготовлен с использованием широко применяемых на практике средств. Так, в качестве "холодного" теплообменника может быть использована кастрюля из алюминиевого сплава с утолщенным днищем. Пластинчатые пружины изгиба выполняются в виде стальных полос, которые изготавливаются из сталей пружинных. Термоэлектрические батареи изготавливаются из полупроводниковых порошковых материалов, например, из тройных сплавов на основе теллурида висмута с коммутацией через слои антидиффузионного материала. "Горячий" теплообменник выполняется в виде чугунного диска.

В сравнении с известными термоэлектрическими генераторами использующими в качестве "холодных" теплообменников емкости с жидкостью, заявленный термоэлектрический генератор позволяет существенно упростить конструкцию за счет упрощения коммуникаций токоотводов и значительного уменьшения стяжных элементов. Соответственно, снижается общая стоимость термоэлектрического генератора. Кроме того, за счет уменьшения числа стяжных элементов и введения экрана и проставок удалось повысить эффективность генератора, поскольку существенно снизились непроизводительные тепловые потери по элементам конструкции.

Использование: изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, например, преобразователи тепла газовых горелок, костров и печей в электричество. Сущность изобретения: термоэлектрический генератор содержит термобатареи, расположенные под утолщенным днищем сосуда для жидкости. Днище служит охлаждающим теплообменником. "горячий теплообменник" расположен под термобатареями и является массивной плитой. Она снабжена кольцевым экраном для защиты термобатарей. Токоотводы введены в сосуд с жидкостью и выведены из него в защитном герметичном трубопроводе. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий охлаждающий теплообменник, выполненный в виде сосуда для жидкости с утолщенным днищем, "горячий" теплообменник в виде массивной плиты, термоэлектрические батареи, к которым через электроизоляционные слои примыкают теплообменники, элементы прижима теплообменников к термоэлектрическим батареям, токоотводы и источник нагрева, отличающийся тем, что каждый элемент прижима выполнен в виде пластинчатой пружины изгиба (ППИ), фиксаторов, которые присоединяют ППИ к одному из теплообменников, и стяжек, размещенных между фиксаторами, причем один концевой участок каждой стяжки расположен на другом теплообменнике, при этом стяжка выполнена с возможностью перемещения относительно теплообменников. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в него дополнительно введен металлический трубопровод, один конец которого выведен через отверстие в днище сосуда и герметично закреплен в нем, другой конец трубопровода изогнут, выведен через отверстие в боковой стенке сосуда и герметично закреплен в нем, при этом токоотводы выведены через трубопровод. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что днище и плита выполнены в виде соосно расположенных дисков, ППИ расположены взаимно перпендикулярно и точка их пересечения расположена на центральной оси дисков, термоэлектрические батареи выполнены в виде модулей, которые расположены параллельно ППИ. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что ППИ закреплены фиксаторами на охлаждающем теплообменнике. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что "горячий" теплообменник снабжен экраном, выполненным в виде оболочки, охватывающий боковую поверхность плиты, а высота экрана не превышает высоты термоэлектрических батарей.