ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 2009 года по МПК H01L35/28 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии (газовых горелок, примусов, костров и т.д.) в электрическую и может быть использовано в теплоэлектрических генераторах, применяемых преимущественно для электропитания и зарядки мобильных устройств, например радиоприемников, сотовых телефонов, JPS приемников и т.п., а также для локального освещения.

Известен термоэлектрический генератор (патент США № 3082276, H01L 35/32, 1963 г.), 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 и токоотводы.

Известен термоэлектрический генератор, выбранный в качестве прототипа (патент РФ № 2018196, H01L 35/32, опубл. 15.08.94), который 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.

Недостатком вышеперечисленных термоэлектрических генераторов является сложность конструкций, неудобство использования в походных условиях, т.к. они достаточно громоздки и требуют наличия воды.

Изобретение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик термоэлектрического генератора, а именно достижение большей компактности, полной автономности и большего срока службы генератора.

Для достижения указанного результата в термоэлектрическом генераторе, содержащем «горячий» и охлаждающий теплообменники, термоэлектрическую батарею, к которой примыкают теплообменники, и токоотводы, в качестве «горячего» теплообменника использован термосифон или тепловая труба, представляющие собой трубку с камерой для испарения рабочего тела на одном конце и с камерой его конденсации на другом. Термосифон снабжен преобразующим устройством, выполненным в виде корпуса, в котором установлен пакет, состоящий из камеры конденсации, к которой последовательно, по крайней мере, с одной стороны установлены, по крайней мере, одна термоэлектрическая батарея и, по крайней мере, один охлаждающий теплообменник, например радиатор конвективного теплообмена с воздухом. Открытые части термосифона и термоэлектрических батарей окружены теплоизоляцией. В качестве рабочего тела используется вода. Охлаждающий теплообменник снабжен устройством принудительного обдува. Устройство принудительного обдува запитано непосредственно от термоэлектрической батареи. Термоэлектрический генератор снабжен стабилизатором выходного напряжения. Теплообменники примыкают к термоэлектрической батарее через теплопроводящие прокладки или теплопроводящую пасту. Для компенсации тепловых перемещений элементов преобразующего устройства пакет в преобразующем устройстве стянут пружинными элементами.

Разработанный ТЭГ позволил получить компактную, автономную от внешних условий конструкцию за счет циркулирования в герметичном объеме рабочей среды, переходящей из жидкой фазы в пар, и создания перепада температур на термоэлектрических батареях.

На фиг.1 изображен термоэлектрический генератор (ТЭГ), на фиг.2 - поперечное сечение ТЭГ, на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.

Термосифон (фиг.2) представляет собой трубку 1 с камерой для испарения рабочего тела 2 на одном конце и с камерой его конденсации 3 на другом. Термосифон снабжен преобразующим устройством, выполненным в виде корпуса 4, в котором установлен пакет, состоящий из камеры конденсации, к которой последовательно установлены термоэлектрические батареи 5 и охлаждающие теплообменники 6 в виде радиатора теплообмена с окружающим воздухом. Открытые части термосифона и термоэлектрических батарей окружены теплоизоляцией 7. В качестве рабочего тела используется вода. Охлаждающий теплообменник снабжен устройством принудительного обдува в виде вентилятора 8. Устройство принудительного обдува запитано непосредственно от термоэлектрической батареи. Термоэлектрический генератор снабжен стабилизатором выходного напряжения. Теплообменники примыкают к термоэлектрической батарее через теплопроводящие прокладки 9 или теплопроводящую пасту.

ТЭГ работает следующим образом. В качестве источника тепла используют примус или костер, в который помещают конец трубки 1 ТЭГ. Вода, находящаяся в камере 2, преобразуется в пар, который устремляется по трубке 1 в камеру 3, где происходит его конденсация. Тепловой поток от конденсации пара проходит через термоэлектрические батареи 5, и за счет охлаждающих теплообменников 6 на термоэлементах создается перепад температуры, и за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС, и по токоотводам в полезную нагрузку поступает полезная электрическая энергия. Конденсированный пар в виде капель воды стекает по трубке 1 в камеру 2. Таким образом образуется циркуляция воды в термосифоне. Для повышения эффективности теплообмена охлаждающие теплообменники 6 снабжены устройством принудительного обдува, выполненным в виде вентилятора 8, запитанного непосредственно от ТЭГ. Электрическая мощность ТЭГ прямо пропорциональна перепаду температуры и площади поверхности спаев термобатареи 5.

Лабораторный образец ТЭГ данной конструкции вырабатывает полезную мощность примерно 5 Вт при выходном напряжении 5 В. При этом рабочие температуры горячего и холодного спаев термоэлемента составляют примерно 150 и 70 градусов Цельсия соответственно. Это позволяет сделать заключение о том, что время службы термоэлементов в данной конструкции будет больше, так как они работают в более щадящих условиях, чем в прототипе, где соответствующие температуры имеют значения около 190 и 110 градусов Цельсия.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии (газовых горелок, примусов, костров и т.д.) в электрическую и может быть использовано в теплоэлектрических генераторах, применяемых преимущественно для электропитания и зарядки мобильных устройств, например радиоприемников, сотовых телефонов, JPS приемников и т.п., а также для локального освещения. Технический результат: улучшение эксплуатационных характеристик термоэлектрического генератора, а именно достижение большей компактности, полной автономности и большего срока службы генератора. Сущность: генератор содержит «горячий» и охлаждающий теплообменники, термоэлектрическую батарею, к которой примыкают теплообменники, и токоотводы. В качестве «горячего» теплообменника использован термосифон или тепловая труба, представляющие собой трубку с камерой для испарения рабочего тела на одном конце и с камерой его конденсации на другом. Термосифон снабжен преобразующим устройством, выполненным в виде корпуса, в котором установлен пакет, состоящий из камеры конденсации, к которой последовательно, по крайней мере, с одной стороны установлены, по крайней мере, одна термоэлектрическая батарея и, по крайней мере, один охлаждающий теплообменник, например радиатор конвективного теплообмена с воздухом. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический генератор, содержащий «горячий» и охлаждающий теплообменники, термоэлектрическую батарею, к которой примыкают теплообменники, и токоотводы, отличающийся тем, что в качестве «горячего» теплообменника использован термосифон или тепловая труба, представляющие собой трубку с камерой для испарения рабочего тела на одном конце и с камерой его конденсации на другом, термосифон снабжен преобразующим устройством, выполненным в виде корпуса, в котором установлен пакет, состоящий из камеры конденсации, к которой последовательно, по крайней мере, с одной стороны, установлены, по крайней мере, одна термоэлектрическая батарея и, по крайней мере, один охлаждающий теплообменник, например радиатор конвективного теплообмена с воздухом.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что открытые части термосифона и термоэлектрических батарей окружены теплоизоляцией.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела используется вода.

4. Генератор по п.1, отличающийся тем, что охлаждающий теплообменник снабжен устройством принудительного обдува.

5. Генератор по п.1, отличающийся тем, что устройство принудительного обдува запитано непосредственно от термоэлектрической батареи.

6. Генератор по п.1, отличающийся тем, что снабжен стабилизатором выходного напряжения.

7. Генератор по п.1, отличающийся тем, что теплообменники примыкают к термоэлектрической батарее через теплопроводящие прокладки или теплопроводящую пасту.

8. Генератор по п.1, отличающийся тем, что весь пакет в преобразующем устройстве стянут пружинными элементами.