ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1996 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к области термоэлектричества и может быть использовано в термоэлектрических генераторах, работающих на жидком органическом или газообразном топливе, преимущественно с использованием тепла, выделяемого горелками при сжигании топлива.

Известен термоэлектрический генератор, содержащий теплообменный блок, размещенный над источником тепла, термоэлектрические батареи, расположенные на поверхностях теплообменного блока, систему теплоотвода и элементы прижима [1] В известном термоэлектрическом генераторе элементы прижима выполнены в виде большого количества стяжек, имеющих форму шпилек с винтовыми пружинами, равномерно распределенных по периметру термоэлектрических батарей.

Недостатком известного термоэлектрического генератора является сложность конструкции, обусловленная значительным количеством элементов прижима, а также значительные перетечки тепла, определяемые наличием вспомогательных оболочек, соединяющих горячий теплообменник с системой теплоотвода.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к описываемому генератору является термоэлектрический генератор, включающий сборку, содержащую теплообменный блок, на гранях которого расположены термоэлектрические батареи, с размещенными на них радиаторами, систему сжатия элементов сборки и опорные элементы [2] В известном термоэлектрическом генераторе система сжатия выполнена в виде стяжного кольца, уплотнений, прижимных планок по числу термоэлектрических батарей и стяжных болтов.

Недостатком известного термоэлектрического генератора является сложность конструкции системы прижима, содержащей большое количество разнородных элементов, которые довольно сложным способом стыкуются с термоэлектрическими батареями и радиаторами, что приводит к увеличению веса генератора и повышению его стоимости.

Изобретение направлено на уменьшение веса термоэлектрического генератора и снижение его стоимости за счет предельного упрощения системы прижима.

Для достижения поставленной цели в термоэлектрическом генераторе, включающем сборку, содержащую теплообменный блок, на гранях которого расположены термоэлектрические батареи, с размещенными на них радиаторами, систему сжатия элементов сборки и опорные элементы, система сжатия выполнена в виде оболочки, с натягом охватывающей сборку, и по крайней мере одной пластинчатой пружины, защемленной между внутренней стенкой оболочки и центральным участком радиатора, который выполнен выступающим по отношению к его крайним зонам, при этом предпочтительно замкнутую оболочку выполнять из упругого материала, например из нержавеющей стали, отношение толщины оболочки к толщине пластинчатой пружины выбирать в пределах 1:1,25:1:3, участок радиатора, примыкающий к пластинчатой пружине, выполнять в виде дугообразной поверхности или в виде ступенчатой поверхности, убывающей от центральной зоны к краевым зонам радиатора; пластинчатые пружины размещать между каждым радиатором и тонкостенной оболочкой; опорные элементы выполнять с возможностью регулирования по высоте.

В заявленном термоэлектрическом генераторе обеспечивается максимальное упрощение системы прижима, которая в пределе может содержать всего два элемента простой формы. Замкнутая тонкостенная оболочка с натягом охватывает сборку, состоящую из теплообменного блока, термоэлектрических батарей и радиаторов, при этом пластинчатая пружина защемлена между внутренней стенкой оболочки и выступающим центральным участком радиатора, обеспечивая надежный прижим термоэлектрических батарей к теплообменному блоку и охлаждающих радиаторов к термоэлектрическим батареям за счет усилий натяга оболочки и усилий, возникающих при изгибе плоскостной пружины. Выполнение радиатора с выступающим центральным участком, на который опирается пластинчатая пружина при ее защемлении, обеспечивает изгиб плоскостной пружины, создавая требуемое усилие прижима элементов сборки. Выступающий участок предпочтительно выполнять либо в виде дугообразной поверхности, что обеспечивает равномерное искривление пластинчатой пружины при натяге тонкостенной оболочки, либо в виде ступенчатой поверхности, постепенно убывающей от центра к краевым зонам, что проще в изготовлении. Тонкостенную оболочку предпочтительно выполнять из упругих материалов, например из нерж. ст. сталей марок ст. 10, ст. 20 и т. п. Толщину оболочки необходимо выбирать в пределах δ₁ 0,3 0,5 мм, поскольку при таких толщинах обеспечивается достаточная жесткость оболочки и возможность ее искривления при сборке. Проведенные эксперименты позволили установить, что оптимальный диапазон толщин пластинчатой пружины составляет δ₂ 0,6 0,8 мм и соответственно диапазон оптимальных отношений толщины оболочки к толщине пластины составляет: δ₁/δ₂ 1:1,25 1:3.

При использовании в генераторе большого количества термоэлектрических батарей значительной площади целесообразно пластинчатые пружины размещать между каждым радиатором и тонкостенной оболочкой, поскольку это позволит увеличить усилие прижима. Для обеспечения возможности перемещения тонкостенной оболочки по отношению к радиатору опорные элементы генератора могут быть выполнены с возможностью регулирования по высоте, например, в виде кольцевых элементов и винтов с заостренными окончаниями.

Приложенные чертежи изображают: фиг. 1 поперечное сечение термоэлектрического генератора, вид сверху; фиг. 2 часть системы прижима; фиг. 3 общий вид термоэлектрического генератора, вид сбоку.

Описываемый термоэлектрический генератор содержит: 1 термоэлектрические батареи, 2 теплообменный блок, 3 каналы теплообменного блока, 4 - охлаждающие радиаторы, 5 тонкостенная замкнутая оболочка, 6 пластинчатая пружина, 7 теплоизоляция, 8 теплоприемный элемент (примыкающий к теплообменному блоку 2), 9 фитиль горелки, 10 опорные элементы, 11 - емкость для органического жидкого топлива, 12 стеклолампы, 13 вытяжная труба, 14 опоры.

Элементы термоэлектрических батарей 1 выполняются из высокоэффективных полупроводниковых материалов, например из теллурида свинца. Теплообменный блок 2 выполняют из высокотеплопроводных материалов, например из алюминиевых сплавов, чугуна и т.п. материалов, и имеет систему вертикальных каналов 3 для пропускания продуктов сгорания. Охлаждающий радиатор 4 выполняют обычно пластинчатым с толщиной пластин 1 1 мм, которые изготавливают обычно из алюминия или его сплавов. Радиатор 4 выполняют с выступающим центральным участком (см. фиг. 2). Тонкостенная оболочка 5 с натягом охватывает все элементы сборки 1, 2, 4.

Описываемый термоэлектрический генератор работает следующим образом. После сборки всех элементов генератора пластинчатая пружина 6 оказывается защемленной и изгибается, создавая постоянное усилие прижима термоэлектрических батарей 1 к теплообменному блоку 2 и к охлаждающим радиаторам 4. После сгорания жидкого топлива на фитиле горелки 9 продукты сгорания и нагретый воздух по каналам теплоприемного элемента 8 поступают в теплообменный блок 2 и передают тепловую энергию стенкам каналов 3. Тепловой поток проходит по элементам термоэлектрических батарей 1, создавая на них перепад температур, за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и в полезную нагрузку (на чертеже не указана) поступает полезная электрическая энергия. Отработанная тепловая энергия поступает на охлаждающий радиатор 4 и далее отводится в окружающее пространство. В процессе разогрева генератора происходит изменение взаимного расположения различных его элементов, однако тонкостенная оболочка 5 и изогнутая пластинчатая пружина 6 обеспечивают постоянство усилия прижима элементов сборки 1, 2, 4 при эксплуатации в условиях многократного термоциклирования.

Заявленный термоэлектрический генератор может быть изготовлен из стандартных материалов без необходимости привлечения специальных технологий.

Опытные образцы заявленного термоэлектрического генератора были изготовлены на НПК "Правдинский" (пос. Правдинский, Пушкинский район, Московской обл. ) и успешно прошли испытания в условиях многократного (тысячи термоциклов) термоциклирования.

В сравнении с известными термоэлектрическими генераторами, использующими жидкое органическое или газообразное топливо, в заявленном термоэлектрическом генераторе удалось предельно упростить конструкцию системы прижима, что позволило уменьшить вес (более чем на 15%) и снизить стоимость генератора, поскольку упростились конструкция и технология изготовления. ЫЫЫ2

Использование: в термоэлектрических генераторах, работающих на жидком или газообразном топливе. Сущность изобретения: сборка состоит из теплообменного блока с каналами для теплоносителя, термоэлектрических батарей, размещенных на гранях блока, и охлаждающих радиаторов, примыкающих к батареям. Сборка с натягом охвачена оболочкой, выполненной из упругого материала. Центральный участок радиатора выполнен выступающим по отношению к его крайним зонам. Между этим участком и тонкостенной оболочкой защемлена пластинчатая пружина, которая изгибается при сборке устройства и создает постоянное усилие сжатия его элементов. Предпочтительно отношение толщины оболочки к толщине пластинчатой пружины выбирать в пределах 1:1,25 - 1:3. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический генератор, включающий сборку, содержащую теплообменный блок, на гранях которого расположены термоэлектрические батареи с размещенными на них радиаторами, систему сжатия элементов сборки и опорные элементы, отличающийся тем, что система сжатия выполнена в виде оболочки по периметру с натягом, охватывающей сборку, и по крайней мере одной пластинчатой пружины, защемленной между внутренней стенкой оболочки и центральным участком радиатора, который выполнен выступающим по отношению к его крайним зонам. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что оболочка выполнена из упругого материала. 3. Генератор по п.2, отличающийся тем, что оболочка выполнена из нержавеющей стали. 4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что отношение толщины оболочки к толщине пластинчатой пружины составляет 1:1,25 1:3. 5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что участок радиатора, примыкающий к пластинчатой пружине, выполнен в виде дугообразной поверхности. 6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что участок радиатора, примыкающий к пластинчатой пружине, выполнен в виде ступенчатой поверхности, убывающей от центральной зоны. 7. Генератор по п.1. отличающийся тем, что пластинчатые пружины размещены между каждым радиатором и оболочкой. 8. Генератор по п.1, отличающийся тем, что опорные элементы выполнены с возможностью регулирования по высоте.