ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1994 года по МПК H01L35/32 

Изобретение касается преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлектрических генераторах, применяемых преимущественно для энергопитания бытовой аппаратуры, например телевизионных приемников, или для энергопитания контрольной аппаратуры, устанавливаемой на газопроводах, использующих в основном источники тепла в виде газовых горелок.

Известен термоэлектрический генератор, содержащий источник тепла, выполненный в виде тепловой капсулы, термоэлектрические батареи, примыкающие к ней, систему теплоотвода и корпус.

Недостатком известного термоэлектрического генератора является высокая стоимость и сложность системы теплоотвода, выполненной в виде многоэлементных компенсаторов.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является термоэлектрический генератор, содержащий источник тепла, выполненный преимущественно в виде газовой горелки, теплоприемник, термоэлектрические модули, расположенные на нем, охлаждающие радиаторы, размещенные на термоэлектрических модулях, по крайней мере один блок прижима и корпус.

Недостатком известного термоэлектрического генератора является сложность конструкции теплообменника, выполненного в виде многоэлементных перфорированных систем теплопередачи и дистанционирования, и сложность конструкции блока прижима, выполненного в виде рамы с окнами, в которых расположены распорные прижимные элементы, системы стяжек и вспомогательные элементы, обеспечивающие стыковку прижимного устройства с корпусом. Сложность конструкций теплоприемника и блока прижима приводит к высокой стоимости известного термоэлектрического генератора, поскольку требуется повышенный расход различных материалов, значительные расходы на изготовление и монтаж. Кроме того, в известном термоэлектрическом генераторе не удается обеспечить равномерное распределение усилий прижима по теплоприемным поверхностям термоэлектрических батарей, так как усилия прижима концентрируются в одном направлении и из-за перекосов возникает неравномерность передачи усилий прижима.

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

Для достижения указанного технического результата в термоэлектрический генератор, содержащий источник тепла, выполненный в виде газовой горелки, теплоприемник, термоэлектрические модули, расположенные на нем, охлаждающие радиаторы, размещенные на термоэлектрических модулях, по крайней мере один блок прижима и корпус, дополнительно введена замкнутая обечайка, охватывающая противолежащие радиаторы, блок прижима выполнен в виде опорной пластины, расположенной на радиаторе, стяжной пластины с резьбовыми отверстиями, в которых расположены стяжные винты, и упругого элемента, размещенного между опорной пластиной и головками стяжных винтов, причем замкнутая обечайка охватывает блок прижима, при этом предпочтительно упругий элемент блока прижима выполнять в виде пластинчатой пружины, которая расположена между обечайкой и стяжной пластиной, причем окончания стяжных винтов размещены на опорной пластине; упругий элемент блока прижима выполнять в виде тарельчатой пружины с размещенным на ней опорным элементом, причем тарельчатая пружина расположена на опорной пластине, а окончание стяжного винта - на опорном элементе; термоэлектрический генератор выполнять с несколькими блоками прижима; блок прижима размещен на каждом радиаторе; теплоприемник выполнен с системой вертикальных каналов, распределенных по его теплоприемной поверхности, при этом каналы расположены в шахматном порядке.

Теплоприемник в данном термоэлектрическом генераторе выполняет функции одного из элементов системы прижима, так как на его внешних гранях размещаются термоэлектрические модули и не требуется введение специальных опорных элементов. Введение замкнутой обечайки, охватывающей противолежащие радиаторы, позволяют использовать ее в качестве второго элемента системы прижима, поскольку эта обечайка охватывает противолежащие радиаторы и при помощи блока прижима создает постоянное усилие прижима охлаждающих радиаторов к термоэлектрическим модулям. Одновременно замкнутая обечайка выполняет функции элемента сборки различных узлов генератора, что позволяет предельно упростить конструкцию. Выполнение блока прижима в виде опорной пластины, расположенной на радиаторе, стяжной пластины с резьбовыми отверстиями, в которых расположены стяжные винты, и упругого элемента, расположенного между опорной пластиной и головками стяжных винтов, позволяет максимально упростить конструкцию блока прижима, так как усилие прижима создается упругим элементом при завинчивании стяжных винтов в резьбовые отверстия стяжной пластины, т.е. блок прижима по существу выполняется в виде пластин и стяжных винтов, при этом одновременно используются новые свойства замкнутой обечайки, передающей усилия прижима через радиаторы на термоэлектрические модули, прижимаемые одновременно к теплоприемнику. При этом не требуется введения в конструкцию генератора дополнительных многочисленных элементов для фиксации взаимного расположения сборки теплоприемник - термоэлектрические модули - охлаждающие радиаторы, поскольку их функции выполняет замкнутая обечайка. Предпочтительно (особенно при незначительной - 10-50 Вт - электрической мощности, вырабатываемой термоэлектрическим генератором) упругий элемент блока прижима выполнять в виде пластинчатой пружины, которую размещать между обечайкой и стяжной пластиной, с расположением окончаний стяжных винтов на опорной пластине, так как при этом достигается предельное упрощение конструкции блока прижима и обеспечивается требуемая величина усилия прижима. При значительной величине вырабатываемой электрической мощности (более 100 Вт) вследствие увеличения площади поверхности термоэлектрических модулей - приходится увеличивать и общее усилие пружины, и в этом случае предпочтительно упругий элемент блока прижима выполнять в виде тарельчатой пружины с размещенным на ней опорным элементом, причем тарельчатую пружину размещать на опорной пластине, а окончание стяжного винта размещать на опорном элементе, поскольку подобное выполнение упругого элемента практически снимает ограничения на величину общего усилия прижима за счет подбора соответствующей тарельчатой пружины, и одновременно сохраняется простота конструкции блока прижима. При значительной электрической мощности термоэлектрического генератора предпочтительно выполнять его с двумя или несколькими блоками прижима, например, размещая их на каждом охлаждающем радиаторе, так как это позволит выполнять их более компактными.

Выполнение теплоприемника в виде прямоугольного параллелепипеда с системой вертикальных каналов, распределенных по его теплоприемной поверхности, обеспечивает максимально низкий перепад температур от центра к периферии вследствие сокращения пути теплового потока при максимальной плотности упаковки каналов, чему в наибольшей степени способствует расположение каналов в шахматном порядке, так как при этом увеличивается площадь поверхности, через которую проходит тепловой поток, в сравнении, например, с линейным расположением каналов.

На фиг. 1 изображен термоэлектрический генератор, поперечное сечение; на фиг. 2 - то же, вид сверху; на фиг. 3 - стыковка охлаждающего радиатора с корпусом; на фиг. 4 - блок прижима, использующий тарельчатую пружину.

Термоэлектрический генератор содержит камеру сгорания 1, на стенке которой расположена теплоизоляционная оболочка 2 с отверстиями 3 в донной части, дверцу (не показана), трубопроводы 4 камеры сгорания с отверстиями 5 в них, теплоприемник 6 с вертикальными каналами 7, термоэлектрические модули 8 с токовыводами 9 и 10. охлаждающие радиаторы 11 и 12, замкнутую обечайку 13, блок прижима, включающий опорную пластину 14, стяжную пластину 15 с резьбовыми отверстиями, упругий элемент, выполненный в виде пластинчатой пружины 16, стяжные винты 17 и 18, корпус 19 с опорными стойками 20, регулируемые опоры 22 и 23, опорные стойки 24 с фиксаторами 25, окно 26 в нижней стенке корпуса. Во втором варианте выполнения блока прижима имеется опорный элемент 27 с углублением 28 для окончания стяжного винта 17 и упругий элемент, выполненный в виде пластинчатой пружины 16.

Камеру сгорания 1 предпочтительно выполнять из тонкостенного (с толщиной стенок - десятые доли мм) материала с низким коэффициентом отражения -0,03-0,1, позволяющим уменьшить тепловые потери излучением за счет концентрации его на теплоприемник. Камера сгорания 1 может быть прикреплена к теплоприемнику 6, например, винтами или заклепками непосредственно или через слой теплоизоляции, что уменьшает утечки тепла. Теплоизоляционная оболочка 2 снижает паразитные утечки за счет конвенции. Теплоприемник 6 предпочтительно выполнять из высокотеплопроводных материалов например из алюминия или его сплавов, чугуна, и т.п., при этом протяженность граней, на которых размещают термоэлектрические модули 3, следует выбирать превышающими длину боковых граней для снижения теплопотерь. Вертикальные каналы 7 равномерно распределены по теплоприемной поверхности в шахматном порядке. Термоэлектрические модули 8 выполняются в виде термоэлектрических батарей (см. фиг. 1), ветви термоэлементов которых изготавливают из высокоэффективных полупроводниковых материалов, например из тройных сплавов на основе теллурида висмута, соединяемых через промежуточные слои коммутационными шинами из металлов, например из алюминия, при этом термоэлектрические батареи снабжены теплоконтактными слоями, например, из слюды и размещены в герметичных чехлах, заполненных инертным газом, с целью повышения ресурсной стабильности. Токоотводы 9 и 10 выводятся из герметичных чехлов через герметичные электровыводы (не показаны). Охлаждающие радиаторы 11 и 12 выполняются в виде оребренных систем с толщиной пластин 1-2 мм, изготавливаемых из высокотеплопроводных материалов, например из алюминия или его сплавов. Замкнутая обечайка 13 выполняется из листового материала, например из нержавеющей стали, толщиной десятые доли мм. Высоту замкнутой обечайки 13 выбирают несколько меньше (десятые доли мм) высоты охлаждающих радиаторов 11 и 12. К материалам, применяемым для изготовления опорной пластины 14, стяжной пластины 15 и пластинчатой пружины 16, не предъявляются особые требования за исключением коррозионной стойкости.

Описываемый термоэлектрический генератор работает следующим образом.

Открывают дверцу (не показана) камеры сгорания 1 и после подачи газа в трубопроводы 4 проводят его поджиг через отверстия 5. Дверцу закрывают и осуществляют нагрев теплоприемника 6 до требуемой температуры. Продукты сгорания поступают в вертикальные каналы 7 теплоприемника и тепловой поток с внешних поверхностей теплоприемника 6 поступает на термоэлектрические модули 8, создавая перепад температур на ветвях термоэлектрических батарей (см. фиг. 1). За счет эффекта Зеебека в них генерируется термоЭДС и в электрическую нагрузку с токоотводов 9 и 10 поступает полезная электроэнергия. Отработанное тепло с пластин охлаждающих радиаторов 11 и 12 отводится за счет теплообмена с окружающей средой. При сборке термоэлектрического генератора стяжные винты 17 и 18 ввинчивались в стяжные пластины 15, при этом происходил прогиб пластинчатой пружины 16, и окончания стяжных винтов 17 и 18, передавали на опорную пластину 14 усилие прижима. Таким образом осуществлялся прижим термоэлектрических модулей 3 к теплоприемнику 6 и охлаждающего радиатора 12 к термоэлектрическому модулю 8, одновременно посредством замкнутой обечайки 13 обеспечивался прижим охлаждающего радиатора 11 к термоэлектрическому модулю 8. При разогреве термоэлектрического генератора до рабочей температуры происходит компенсация термических деформаций термоэлементов термоэлектрических модулей 8 за счет деформаций пластинчатой пружины 16 и деформаций замкнутой обечайки 13. Одновременно при деформациях обеспечивается устойчивое усилие прижима в системе: теплоприемник 6, термоэлектрические модули 8, охлаждающие радиаторы 11 и 12.

Описываемый термоэлектрический генератор может быть изготовлен с применением широко распространенных на практике средств. Так, теплоприемник может быть выполнен из алюминиевых сплавов типа АГ4 или чугуна. Термоэлектрические батареи предпочтительно изготавливать из высокоэффективных полупроводниковых материалов, например из тройных сплавов на основе теллурида висмута с коммутацией через прослойки, выполненные, например, из кобальта при помощи алюминиевых шин. Пластинчатые пружины могут быть изготовлены в виде полос из пружинных сталей. Замкнутую обечайку можно изготавливать из листовой нержавеющей стали, например, сваривая концевые кромки внахлест.

В сравнении с известными термоэлектрическими генераторами, использующими блоки прижима, выполненные в виде набора большого количества многоэлементных систем, и недостаточно совершенные теплоприемники, в заявленном генераторе удалось существенно упростить конструкцию за счет усовершенствования теплоприемника с введением камеры сгорания и значительно упростить конструкцию блока прижима с введением замкнутой обечайки, заменившей многие элементы стяжек. Указанные совершенствования конструкции позволили снизить общую стоимость термоэлектрического генератора. Кроме того, разработка и использование более совершенной системы прижима позволило обеспечить постоянство усилий прижима по всей поверхности термоэлектрического модуля, что наряду с совершенствованием конструкции теплоприемника способствует повышению эффективности термоэлектрического генератора и соответствующему снижению его стоимости, наряду с совершенствованием конструкции теплоприемника способствует повышению эффективности термоэлектрического генератора и соответствующему снижению его стоимости.

Использование: изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и может быть использовано в термоэлектрических генераторах, использующих преимущественно источники тепла в виде газовых горелок. Сущность изобретения: в термоэлектрическом генераторе источник тепла содержит газовую горелку, которая размещена в камере сгорания. На камере расположена теплоизоляционная оболочка с отверстиями в донной части. Теплоприемник выполнен с системой вертикальных каналов, распределенных по его теплоприемной поверхности, преимущественно в шахматном порядке, что обеспечивает равномерное температурное поле. Термоэлектрические модули через охлаждающие радиаторы прижаты к теплоприемнику при помощи системы прижима, который содержит опорную пластину с резьбовыми отверстиями, упругий элемент, выполненный в виде пластинчатой пружины и стяжные винты. Замкнутая обечайка охватывает радиаторы и прижимное устройство используется в качестве одного из элементов системы прижима и является элементом сборки различных узлов генератора. При повышенной мощности генератора блок прижима выполнен в виде тарельчатой пружины с размещенным на ней опорным элементом, на котором расположено окончание стяжного винта. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий источник тепла, выполненный в виде газовой горелки, теплоприемник с расположенными на нем термоэлектрическими модулями, на которых размещены охлаждающие радиаторы, блок прижима этих элементов, которые размещены в корпусе, отличающийся тем, что в него введены замкнутая обечайка, охватывающая противолежащие радиаторы и блок прижима, который выполнен в виде по крайней мере одной опорной пластины, расположенной на радиаторе, стяжной пластины с по крайней мере одним резьбовым соединением, в котором размещен стяжной винт, и упругий элемент, размещенный между опорной пластиной и головкой стяжного винта. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент блока прижима выполнен в виде пластинчатой пружины. 3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент системы прижима выполнен в виде тарельчатой пружины с размещенным на ней опорным элементом, причем тарельчатая пружина расположена на опорной пластине, а окончание стяжного винта- на опорном элементе. 4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что теплоприемник выполнен с системой каналов, распределенных по его теплоприемной поверхности в шахматном порядке, направленных перпендикулярно к ней.