ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ Российский патент 1997 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую.

Известны устройства для преобразования тепловой энергии в электрическую, основанного на термоциклировании магнитных материалов в постоянном магнитном поле, содержащие постоянный магнит, между полюсами которого размещен сердечник с катушкой, источник тепла и поглотитель тепла [1] [2]
Однако, известные устройства не позволяют получить достаточно высокое выходное напряжение /более 1 2 мВ/, а также характеризуются значительной сложностью и стоимостью вследствие необходимости выполнения сердечника из материалов со значительными пределами изменения удельной намагниченности - поликристаллического диспрозия, железо-родиевых сплавов с содержанием Be, Mg, Al, Ca, сплавов на основе марганца и никеля.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к данному изобретению является преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий размещенный между полюсами постоянного магнита проводящий контур, выполненный из материала с эффектом двухсторонней памяти формы выше и ниже точек мартенситного превращения материала, источник импульсного теплового излучения и опору холодильник [3]
Однако, данный преобразователь также характеризуется значительной сложностью и стоимостью конструкции, и, кроме того, низкой эффективностью преобразования тепловой энергии в электрическую. Сложность и высокая стоимость обусловлены использованием для проводящего контура специальных сплавов из мононикелида титана, необходимостью формообразования контура при температуре выше точки мартенситного превращения без перехода предела допустимой деформации, необходимостью применения источника импульсного теплового излучения и холодильника вследствие значительного диапазона температур / +25^oC +55^oC / точек мартенситного превращения материала контура при охлаждении и нагревании. Низкая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую обусловлена, с одной стороны, как уже было сказано выше, существенными затратами тепловой энергии, необходимостью значительного диапазона перепада температур, использованием для этих целей специального источника тепла и холодильника, а с другой стороны низким уровнем амплитуды наводимой в контуре ЭДС. Последнее объясняется низкой частотой скачкообразного перемещения контура вследствие сравнительно длительного цикла его охлаждения - нагрева в диапазоне 30^oC /от +25^oC до +55^oC и обратно/, а также - предельно малой напряженностью магнитного поля между полюсами постоянного магнита вследствие огромной величины воздушного зазора, в котором происходят изгибные перемещения контура /при этом перемещения происходят не вдоль плоскости зазора, а поперек, что обусловлено самим принципом работы известного преобразователя/.

Целью изобретения является повышение эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую, а также уменьшение сложности и стоимости конструкции преобразователя.

Поставленная цель достигается тем, что в известный преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий постоянные магниты, катушки и источники тепла в виде параллельных тепловых труб, введена установленная симметрично между тепловыми трубами сферическая хлопающая мембрана, на жестком центре которой с обеих сторон мембраны закреплены торцевыми поверхностями цилиндрические постоянные магниты, концентрично охваченные неподвижными катушками, при этом к свободным торцевым поверхностям постоянных магнитов прикреплены термобиметаллические упругие элементы, один из которых введен в упругий контакт с близрасположенной тепловой трубой, а другой удален соответственно от другой тепловой трубы на расстояние, равное изменению прогиба мембраны при хлопке.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображен предложенный преобразователь, общий вид.

В преобразователе используется тепловая энергия горячих тепловых труб, например, теплообменника, систем отопления и т.п.

Преобразователь содержит установленную симметричную между параллельными тепловыми трубами 1, 2 сферическую хлопающую мембрану 3, зажатую по наружному контуру с помощью кольцевого зажима 4. На жестком центре 5 мембраны 3 с обеих сторон закреплены торцевыми поверхностями цилиндрические постоянные магниты 6, 7, концентрично охваченные неподвижными катушками 8, 9. К свободным торцевым поверхностям постоянных магнитов 6, 7 прикреплены боковой поверхностью U-образные термобиметаллические элементы 10, 11, активный слой которых немагнитная сталь расположен на внутренней поверхности элементов, а пассивный слой инвар на внешней поверхности. При этом один из упругих термобиметаллических элементов 10 введен в упругий контакт с близрасположенной тепловой трубой 1, а другой термобиметаллический элемент 11 удален соответственно от другой тепловой трубы 2 на расстояние, равное изменению прогиба мембраны 3 при хлопке. Кольцевой зажим 4 установлен на направляющих 12 и зафиксирован с помощью регулировочных винтов 13.

Работа предлагаемого преобразователя происходит следующим образом.

На чертеже преобразователь показан в одном из двух своих статических положений, когда мембрана 3 только что "хлопнула" в свое верхнее граничное положение, температура термобиметаллического элемента 10 близка к температуре окружающей среды /воздуха/. При этом за счет осевой регулировки преобразователя термобиметаллический элемент 10 упруго прижат к трубе 1 с усилием, которого недостаточно для срабатывания мембраны 3 в нижнее граничное положение, однако, при котором мембрана 3 находится в критическом состоянии, то есть готова к срабатыванию. При малейшем нагреве термобиметаллического элемента 10 от трубы 1 элемент 10 стремится разжаться, и мембрана 3 "хлопает" в нижнее положение, при котором уже остывший термобиметаллический элемент 11 упруго прижимается к трубе 2, так как он установлен от трубы 2 на расстоянии, равном перемещению мембраны 3 при хлопке. Таким образом процесс перехлопывания мембраны 3 автоматически повторяется с высокой частотой. При этом происходит релейное перемещение постоянных магнитов 6, 7 в рабочих зазорах катушек 8, 9 с высокими относительными скоростями, в результате чего в катушках 8, 9 наводятся переменные ЭДС сравнительно большой амплитуды.

Естественно, что здесь очень важно осуществить предварительную регулировку устройства в осевом направлении, так как при каждом хлопке мембраны 3 термобиметаллические элементы 10, 11 должны поочередно упруго прижиматься соответственно к трубам 1, 2, причем с таким усилием, чтобы мембрана 3 была на грани срыва в новый релейный режим /хлопок/. В этом случае обеспечивается максимально высокая частота срабатывания, так как необходимо минимальное усилие, а соответственно и время нагрева элементов 10, 11, вызывающее срабатывание мембраны 3. Регулировка осуществляется с одной стороны осевым смещением кольцевого зажима 4 по направляющим 12 с помощью регулировочных винтов 13, а с другой введением прокладок между элементами 10, 11 и торцевыми поверхностями магнитов 6, 7 /на чертеже эти прокладки не показаны/. Проведение регулировки с помощью пластических деформаций элементов 10, 11 не желательно, так как это приводит к возникновению упругих остаточных напряжений в материале элементов 10, 11, постепенно снимаемых в процессе работы и нарушающих первоначальную регулировку.

По сравнению с устройствами аналогами и прототипом предлагаемый преобразователь позволяет в несколько раз повысить эффективность преобразования энергии. Здесь использованы естественные источники тепла и охлаждения, не предъявляется практически никаких требований по диапазонам температур. Работа устройства в резко нелинейных /релейных/ режимах со значительными относительными скоростями обеспечивает сравнительно высокий уровень амплитуд получаемых электрических сигналов. Конструкция преобразователя отличается предельной простотой, отсутствует необходимость использования специальных дорогостоящих элементов. По поводу точности регулировки устройства необходимо отметить следующее. Устройство работоспособно практически без регулировки необходимо только, чтобы термобиметаллические элементы 10, 11 при каждом хлопке мембраны 3 хотя бы "ориентировочно" касались труб 1, 2 все равно при нагреве элементов 10, 11 произойдут срабатывания мембраны 3. Однако, указанная выше регулировка позволит обеспечить максимальную эффективность работы преобразователя за счет максимально возможной частоты срабатывания мембраны 3.

Подобный тип устройств для преобразования энергии является эффективным, простым и экономичным и может найти чрезвычайно широкое применение.

Источники информации:
1. Патент США N 3274405, кл. 310 4, опубл. 1966.

2. А.с. СССР N 811466, кл. H 02 N 11/00, опубл. 1981.

3. А. с. СССР N 1427532, кл. H 02 N 11/00, H 02 K 37/04, опубл. 1988 /прототип/.

Использование: в электротехнике, в частности, в устройствах для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Сущность: преобразователь содержит постоянные магниты, катушки и источники тепла в виде параллельных тепловых труб. При этом в преобразователь введена установленная симметрично между тепловыми трубами сферическая хлопающая мембрана, на жестком центре которой с обеих сторон мембраны закреплены торцевыми поверхностями цилиндрические постоянные магниты, концентрично охваченные неподвижными катушками. К свободным торцевым поверхностям постоянных магнитов прикреплены термобиметаллические упругие элементы, один из которых введен в упругий контакт с близрасположенной тепловой трубой, а другой удален соответственно от другой тепловой трубы на расстояние, равное изменению прогиба мембраны при хлопке. 1 ил.

Преобразователь тепловой энергии в электрическую, содержащий постоянные магниты, катушки и источники тепла в виде параллельных тепловых труб, отличающийся тем, что в преобразователь введена установленная симметрично между тепловыми трубами сферическая хлопающая мембрана, на жестком центре которой с обеих сторон мембраны закреплены торцевыми поверхностями цилиндрические постоянные магниты, концентрично охваченные неподвижными катушками, при этом к свободным торцевым поверхностям постоянных магнитов прикреплены термобиметаллические упругие элементы, один из которых введен в упругий контакт с близрасположенной тепловой трубой, а другой удален соответственно от другой тепловой трубы на расстояние, равное изменению прогиба мембраны при хлопке.