УНИВЕРСАЛЬНАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА БЕЛАШОВА Российский патент 2011 года по МПК H02K57/00 H01L35/02 

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения первой в мире универсальной термоэлектрической машины, у которой множество термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а вторая n-типа верхнего яруса или множество проводников имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде термопар нижнего яруса, которые, не меняя направление движения тока в проводниках, проходят сквозь множество замкнутых магнитных систем без каких-либо переключающихся устройств. Изобретение предназначено для использования в энергетике, промышленности и народном хозяйстве в качестве статического или динамического термоэлектрического генератора постоянного тока, который преобразует тепло работающих ядерных реакторов, энергетических блоков, двигателей внутреннего сгорания, источников солнечной энергии, источников термальных вод, печей, газовых горелок и других технических сооружений в электрическую энергию, а также в качестве электрических машин постоянного тока, работающих от источника термоэлектричества, получаемого от перепада температур, устройств вращения магнитных систем, вращающихся фурм для установок сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, силовых приводов транспортных средств, подъемных механизмов, транспортеров, систем автоматического регулирования и управления механическими устройствами, измерительных и эталонных устройств, а также в военных и космических целях.

Известен термоэлектрический генератор, содержащий узел нагревателя, имеющего в поперечном сечении развитую поверхность, узел охладителя и батареи полупроводниковых термоэлементов, которые выполнены в виде модулей, а модули собраны в блоки, размещенные между узлами охладителя и нагревателя, в каждом из модулей последовательно коммутируются до 300 термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая n-типа. Смотрите патент Российской Федерации №2191447 - аналог.

Известны законы и математические формулы Белашова, которые вносят коренные изменения в уровень познания электрических и электротехнических явлений, в области формирования и измерения электрических сигналов постоянного или переменного тока. Смотрите патент Российской Федерации №2175807, H02K 23/54 - аналог.

Известна электрическая машина Белашова, содержащая корпус, статор с магнитной системой возбуждения, выполненной в виде одного монолитного магнита, имеющего магнитопровод, магнит северного полюса, размещенного на орбите верхнего яруса, и магнит южного полюса, размещенного на орбите нижнего яруса, или содержит множество магнитных систем возбуждения с магнитопроводами, магнитами северного полюса и магнитами южного полюса, которые расположены через равномерные или неравномерные промежутки, для взаимодействия через воздушный зазор с множеством магнитопроводов, имеющих множество многовитковых обмоток верхнего яруса и множество многовитковых обмоток нижнего яруса, размещенных на валу ротора, который через элементы качения или скольжения взаимодействует с корпусом. Смотрите патент Российской Федерации №2130682, KL H02K 23/54, 27/10 - прототип.

Цель изобретения - создание универсальной термоэлектрической машины, способной от источника теплового излучения множества батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар, которые размещены между узлом нагревателя и узлом охладителя, получать термоЭДС и производить вращение технических устройств.

На фиг.1 изображена универсальная термоэлектрическая машина, работающая от внешних источников солнечного и теплового излучения.

На фиг.2 изображена универсальная термоэлектрическая машина, работающая от внутренних источников теплового излучения.

На фиг.3 изображено расположение и действующие силы множества многовитковых обмоток батарей термопар верхнего яруса.

На фиг.4 изображено расположение и действующие силы множества многовитковых обмоток батарей термопар нижнего яруса.

На фиг.5 изображен способ получения термоЭДС от проводников, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде термопар.

Уникальность технического решения заключается в том, что универсальная термоэлектрическая машина, содержащая корпус, статор с магнитной системой возбуждения, выполненной в виде одного монолитного магнита, имеющего магнитопровод, магнит северного полюса, размещенного на орбите верхнего яруса, и магнит южного полюса, размещенного на орбите нижнего яруса, которая через воздушный зазор взаимодействует с множеством батарей полупроводниковых термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая n-типа или множеством батарей термопар, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде отдельных модулей, собранных в блоки и установленных в термическом изоляционном и экранирующем устройстве на магнитопроводах верхнего и нижнего яруса. Множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар, которые расположены между узлом нагревателя и узлом охладителя, установлены вокруг магнитопроводов статора, смонтированных на диэлектрическом основании орбит верхнего и нижнего ярусов. Магнитопроводы верхнего основания, под заданным углом, соединены с магнитопроводами нижнего основания и через воздушные зазоры взаимодействуют с системой возбуждения ротора. Множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар верхнего и нижнего яруса защищено от узла нагревателя защитным кожухом, керамической вставкой и теплоизоляционным устройством, а сам узел нагревателя, в местах соединений проводников горячего спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, расположен на внешней стороне корпуса для взаимодействия с внешним источником теплового излучения или внутри ротора для взаимодействия с внутренним источником теплового излучения. Узел охладителя расположен внутри машины, в местах соединений проводников холодного спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, которые взаимодействуют с холодильным устройством, установленного внутри магнитной системы возбуждения ротора и выполненного в виде холодильного аппарата абсорбционно-диффузионного типа. При вращении машины от сигнала постоянного тока во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов и множестве батарей термопар, размещенных на орбите верхнего яруса, должна быть направлена по часовой стрелке, а размещенных на орбите нижнего яруса, - должна быть направлена против часовой стрелки. Причем в зависимости от предназначения универсальной термоэлектрической машины магнитную систему возбуждения, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар можно установить на валу или на корпусе. При использовании внешнего источника солнечного или теплового излучения, расположенного в окружающей среде, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар должны быть расположены на внешней стороне корпуса, а при использовании внутреннего источника теплового излучения множество батарей термопар верхнего яруса и множество батарей термопар нижнего яруса должны быть расположены внутри ротора, при этом вращение, через элементы качения или скольжения, может быть осуществлено как самого вала, так и его корпуса.

Универсальная термоэлектрическая машина, фиг.1, содержит корпус 1, магнитную систему возбуждения 2, множество магнитопроводов 3, множество батарей полупроводниковых термоэлементов 4, множество батарей термопар 5, устройство охлаждения 6 и вал 7, который через элементы качения 8 и скольжения 9 взаимодействует с корпусом. В зависимости от предназначения универсальной термоэлектрической машины магнитную систему возбуждения 2, множество батарей полупроводниковых термоэлементов 4 и множество батарей термопар 5 можно установить на валу 7 или на корпусе 1, при этом вращение может быть осуществлено как самого вала, так и его корпуса. При использовании внешнего источника солнечного или теплового излучения, расположенного в окружающей среде, множество батарей полупроводниковых термоэлементов 4 и множество батарей термопар 5 должны быть расположены на внешней стороне диамагнитного корпуса 1. Площадь множества батарей полупроводниковых термоэлементов 4 может быть увеличена по сравнению с множеством батарей термопар 5, которым не рекомендуется увеличивать внутреннее сопротивление проводников вырабатывающих термоЭДС. По периметру внешней части вала 7 размещена магнитная система возбуждения ротора 2, которая выполнена в виде однородного монолитного магнита, имеющего магнитопровод системы возбуждения 10, магнит северного полюса 11 и магнит южного полюса 12. Магнит северного полюса 11, магнитной системы возбуждения ротора 2, расположен на орбите верхнего яруса 13, а магнит южного полюса 12 расположен на орбите нижнего яруса 14. Магнитопроводы статора 3 через воздушный зазор взаимодействуют с магнитом северного полюса 11 орбиты верхнего яруса 13 и магнитом южного полюса 12 орбиты нижнего яруса 14. Для увеличения эффективности и надежной работы универсальной термоэлектрической машины, верхнее основание 15 и нижнее основание 16 магнитопроводов статора 3 необходимо соединить под заданным углом, где наиболее благоприятным углом соединения является 180 градусов. Множество батарей полупроводниковых термоэлементов 4, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а вторая n-типа, размещены в термическом изоляционном и экранирующем устройстве 17, вокруг магнитопроводов статора 3 и внешнего основания диамагнитного корпуса 1 орбиты верхнего яруса 13. Множество батарей термопар 5, имеющих две ветви из разнородных проводников, например, одна ветвь термопары состоит из проводника хромеля, а вторая ветвь термопары состоит из проводника алюмеля (ХА), которые размещены в термическом изоляционном и экранирующем устройстве 18, вокруг магнитопроводов статора 3 и внешнего основания диамагнитного корпуса 1 орбиты нижнего яруса 14. Множество батарей полупроводниковых термоэлементов 4 и термопар 5 выполнены в виде отдельных модулей, которые собраны в блоки. В каждом модуле параллельно коммутируется до 300 термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая n-типа, или термопар, ветви которых состоят из разнородных проводников. Батареи полупроводниковых термоэлементов 4 и термопар 5 размещены между узлом нагревателя 19 и узлом охладителя 20. Узел нагревателя расположен на внешней части диэлектрического корпуса 1, где сосредоточены соединения горячего спая проводников, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, которые взаимодействуют с окружающей средой внешнего источника нагревания. Узел охладителя расположен внутри термоэлектрической машины, где сосредоточены соединения холодного спая, которые взаимодействуют с холодильным устройством 6. Холодильное устройство установлено внутри магнитной системы ротора 2 и выполнено в виде холодильного аппарата абсорбционно-диффузионного типа. Направление сигнала постоянного тока от множества батарей полупроводниковых термоэлементов 4, размещенных на орбите верхнего яруса 13, должно быть направлено по часовой стрелке 21, а направление сигнала множества батарей термопар 5 должно быть направлено против часовой стрелки 22. При таком движении тока в проводниках множества батарей полупроводниковых термоэлементов 4 и множества батарей термопар 5, согласно правилу левой руки, вал ротора 7 будет вращаться против часовой стрелки, а корпус 1 будет вращаться по часовой стрелке. Для изменения вращения вала или корпуса универсальной термоэлектрической машины по окружности необходимо изменить направление движения тока в проводниках множества батарей полупроводниковых термоэлементов 4 и проводниках множества батарей термопар 5 на противоположное направление. Магнитная система возбуждения ротора 2 может быть выполнена из множества отдельных магнитных систем, содержащих магнитопроводы, магниты северного полюса и магниты южного полюса, которые расположены через равномерные или неравномерные промежутки. При работе универсальной термоэлектрической машины от магнитной системы возбуждения 2, состоящей из множества отдельных магнитных систем, которые расположены через равномерные или неравномерные промежутки, необходимо вводить коллектор 23. Коллектор 23 будет производить отключение множество батарей полупроводниковых термоэлементов 4, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а вторая n-типа, или множество батарей термопар 5, которые состоят из разнородных проводников, при нахождении их вне зоны действия магнитов северных полюсов и магнитов южных полюсов, а также при входе и выходе из полюсов магнитной системы возбуждения 2. При вращении универсальной термоэлектрической машины амплитуда сигнала постоянного тока во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов 4 и множестве батарей термопар не должна менять своего направления.

При использовании внутреннего источника теплового излучения, фиг.2, множество батарей термопар 24, верхнего яруса 25 и множество батарей термопар 26, нижнего яруса 27, расположены внутри вала универсальной термоэлектрической машины. Например, корпус 28 универсальной термоэлектрической машины выполнен в виде фурмы и размещен внутри установки для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем. Корпус 28, имеющий отверстия 29 фланцевого соединения 30, входит в состав установки для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, содержит клапаны 31, которые связаны с устройством импульсной подачи дутья 32 (воздуха, обогащенного кислородом, или кислород). Установка для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем включает в свою конструкцию систему подачи отходов и угля, механизм удаления шлака, питатель подачи угля, систему подачи угля и воздуха, смонтированные в пиролизной камере, которая обеспечивает факельное сжигание измельченного до порошка угля и твердых бытовых отходов. В пиролизном канале размещена фурма 28, которая является средством для импульсной подачи дутья 32, а также для одновременного перемешивания и перемещения органических отходов с углем внутри сопла 33 циклонной камеры окислительного дожига. Множество батарей термопар 24, верхнего яруса 25 и множество батарей термопар 26 защищено от сопла 33 защитным кожухом 34, керамической вставкой 35 и теплоизоляционным устройством 36. По периметру внутренней части корпуса фурмы 28 размещена магнитная система возбуждения ротора 37, которая выполнена в виде однородного монолитного магнита, имеющего магнитопровод системы возбуждения статора 38, магнит северного полюса 39 и магнит южного полюса 40. Магнит северного полюса 39, магнитной системы возбуждения статора 38, расположен на орбите верхнего яруса 25, а магнит южного полюса 40 расположен на орбите нижнего яруса 27. Магнитопроводы ротора 41 установлены на диэлектрическом основании 42 и через воздушный зазор 43 взаимодействуют с магнитом северного полюса 39 орбиты верхнего яруса 25, а через воздушный зазор 44 взаимодействуют с магнитом южного полюса 40 орбиты нижнего яруса 27. Для увеличения эффективности и надежной работы универсальной термоэлектрической машины верхнее основание 45 и нижнее основание 46 магнитопроводов ротора 41 необходимо соединить под заданным углом, где наиболее благоприятным углом соединения является 180 градусов. Множество батарей термопар 24, верхнего яруса 25, которые состоят из разнородных проводников, установлены вокруг магнитопроводов ротора 41, внутри диэлектрического основания 42, теплоизоляционного устройства 36, керамической вставки 35, перед защитным кожухом 34 и размещены в термическом, изоляционном и экранирующем устройстве 47. Множество батарей термопар 26, нижнего яруса 27, которые состоят из разнородных проводников, установлены вокруг магнитопроводов ротора 41, внутри диэлектрического основания 42, теплоизоляционного устройства 36, керамической вставки 35, перед защитным кожухом 34 и размещены в термическом, изоляционном и экранирующем устройстве 48. Направление сигнала постоянного тока от множества батарей термопар 24, размещенных на орбите верхнего яруса 25, должно быть направлено по часовой стрелке 53, а направление сигнала множества батарей термопар 26 должно быть направлено против часовой стрелки 54. При таком движении тока в проводниках множество батарей термопар 24 верхнего яруса 25 и множество батарей термопар 26 нижнего яруса 27, согласно правилу левой руки, размещенных на магнитопроводах ротора 41, будут вращаться по часовой стрелке. Для изменения вращения вала универсальной термоэлектрической машины необходимо изменить направление движения тока в проводниках множества батарей термопар 24 и в проводниках множества батарей термопар 26 на противоположное направление. При вращении универсальной термоэлектрической машины амплитуда сигнала постоянного тока во множестве батарей термопар 24 и множестве батарей термопар 26 не должна менять своего направления. Множество батарей термопар 24, верхнего яруса 25, находятся между узлом нагревателя 49 и узлом охладителя 50. Множество батарей термопар 26, нижнего яруса 27, находятся между узлом нагревателя 51 и узлом охладителя 52. Узел нагревателя расположен внутри сопла 33, которое размещено внутри вала, перед защитным кожухом 34, где сосредоточены соединения горячего спая проводников, состоящих из разнородных материалов, которые взаимодействуют с внутренним источником нагревания. Узел охладителя расположен внутри термоэлектрической машины, где сосредоточены соединения холодного спая, которые взаимодействуют с холодильным устройством 55. Холодильное устройство расположено внутри магнитной системы статора 37 и выполнено в виде холодильного аппарата абсорбционно-диффузионного типа. Корпус фурмы 28 через торцевые уплотнительные соединения 56 взаимодействует с диэлектрическим основанием 42, а через элементы качения 57 и скольжения 58 взаимодействует с корпусом фурмы.

Расположение множества многовитковых обмоток батарей термопар 24, верхнего яруса 25, размещенных вокруг множества магнитопроводов ротора 41, верхнего основания 45 в термическом, изоляционном и экранирующем устройстве 47, изображено на фиг.3. Направление сигнала постоянного тока от множества батарей термопар 24, размещенных на орбите верхнего яруса 25, должно быть направлено по часовой стрелке 53. На каждом верхнем основании 45, магнитопроводов ротора 41, один блок батарей обмоток термопар должен иметь вектор направления 59, а второй блок батарей обмоток термопар должен иметь вектор направления 60. Для надежного разделения магнитных потоков между магнитопроводами 41 необходимо установить диэлектрические вставки 61. Согласно правилу левой руки, если взять левую руку, расположить в магнитное поле так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, и направить вытянутые четыре пальца по направлению тока, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник. Сила 62 образуется от действия на проводник с током, который расположен в магнитном поле, от блока батарей обмоток термопар, имеющих вектор направления 59, верхнего яруса 25. Сила 63 образуется от действия на проводник с током, который расположен в магнитном поле, от блока батарей обмоток термопар, имеющих вектор направления 60, верхнего яруса 25. При таком движении тока в проводниках, по результирующей силе 64, множества батарей термопар 24 верхнего яруса 25, согласно правилу левой руки, размещенных на магнитопроводах ротора 41, будут вращаться по часовой стрелке.

Расположение множества многовитковых обмоток батарей термопар 26, нижнего яруса 27, размещенных вокруг множества магнитопроводов ротора 41, нижнего основания 46 в термическом, изоляционном и экранирующем устройстве 48, изображено на фиг.4. Направление сигнала постоянного тока от множества батарей термопар 26, размещенных на орбите нижнего яруса 27, должно быть направлено против часовой стрелки 54. На каждом нижнем основании 46, магнитопроводов ротора 41, один блок батарей обмоток термопар должен иметь вектор направления 65, а второй блок батарей обмоток термопар должен иметь вектор направления 66. Для надежного разделения магнитных потоков между магнитопроводами 41 необходимо установить диэлектрические вставки 61. Согласно правилу левой руки, если взять левую руку, расположить в магнитное поле так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, и направить вытянутые четыре пальца по направлению тока, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник. Сила 67 образуется от действия на проводник с током, который расположен в магнитном поле, от блока батарей обмоток термопар, имеющих вектор направления 65, нижнего яруса 27. Сила 68 образуется от действия на проводник с током, который расположен в магнитном поле, от блока батарей обмоток термопар, имеющих вектор направления 66, нижнего яруса 27. При таком движении тока в проводниках, по результирующей силе 69, множества батарей термопар 26 нижнего яруса 27, согласно правилу левой руки, размещенных на магнитопроводах ротора 41, будут вращаться по часовой стрелке.

Способ получения термоЭДС от разнородных проводников в виде термопар изображен на фиг.5. В основу способа получения термоэлектродвижущей силы от перепада температур положено открытие в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрических явлений. Применение этих явлений по получению термоэлектродвижущей силы основано на существовании определенной зависимости между термоэлектродвижущей силой (термоЭДС), устанавливающейся в цепи, составленной из разнородных проводников, и температурами мест их соединения. Если взять цепь фиг.4, составленную из разнородных проводников А и Б (например медь и платина), то при прогреве спая 1 в цепи появится электрический ток, который в более нагретом спае 1 направлен от платины Б к меди А, а в холодном спае 2 - от меди к платине. При подогреве спая 2 ток получает обратное направление. Такие токи называются термоэлектрическими токами, а дающие их приборы - термопарами и термобатареями. Электродвижущие силы, обусловленные неодинаковым потенциалами в спаях, имеющих разные температуры, называются термоЭДС. Для объяснения механизма возникновения термоЭДС воспользуемся электронной теорией, которая основывается на представлении о наличии в металлах свободных электронов. В различных металлах плотность свободных электронов (число электронов в единице объема) неодинакова и поэтому электроны, которые можно уподобить свободному газу, заполняющему межмолекулярное пространство в металле, будут находиться под неодинаковым давлением. Вследствие этого в местах сопротивления двух разнородных металлов, например, в спае 1, электроны будут диффундировать из металла А в металл Б в большем количестве, чем обратно из металла Б в металл А, и, как следствие, металл А будет заражаться положительно, а металл Б - отрицательно. Возникающее при этом в месте соприкосновения электрическое поле будет препятствовать этой диффузии, и когда скорость диффузионного перехода электронов станет равна скорости их обратного перехода под влиянием установившегося определенного поля наступит состояние подвижного равновесия. При таком состоянии между металлами А и Б возникает некоторая разность потенциалов. Так как давление электронного газа зависит также и от температуры мест соединения проводников, то термоЭДС, возникающие в спае 1 и 2, будут различны.

Кроме того, термоэлектрический ток возникает и в замкнутом однородном проводнике, если имеется градиент температуры, так как в каждом однородном проводнике, концы которого имеют разные температуры, появляется разность потенциалов.

Эту теорию подтверждает новый закон энергии материального тела, расположенного в пространстве, и новый закон активности материального тела, расположенного в пространстве, которые хорошо изложены в материалах заявки №2005140396/06 (045013) от 26 декабря 2005 года. Заявка опубликована в 10 бюллетене 02 июня 2007 года.

Универсальная термоэлектрическая машина может быть изготовлена из парамагнитных или диамагнитных материалов. Рабочая ширина одиночных магнитов системы возбуждения должна быть больше или равной рабочей ширины магнитопровода с множеством батарей полупроводниковых термоэлементов или термопар. Магнитная система возбуждения универсальной термоэлектрической машины может быть изготовлена из постоянных магнитов электромагнитов или их сочетанием. В зависимости от предназначения универсальной термоэлектрической машины, магнитную систему возбуждения, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар можно установить на валу или на корпусе. Для разделения магнитных потоков магнитопроводов ротора их необходимо устанавливать через диамагнитные вставки. При использовании внешнего источника солнечного или теплового излучения, расположенного в окружающей среде, множество батарей полупроводниковых термоэлементов верхнего яруса и множество батарей термопар нижнего яруса должны быть расположены на внешней стороне корпуса. Если используется внутренний источник теплового излучения, то множество батарей термопар верхнего яруса и множество батарей термопар нижнего яруса должны быть расположены внутри ротора или вала. Взаимодействие корпуса и ротора машины осуществляется через элементы качения или скольжения, при этом вращаться может как сам ротор, так и его корпус.

Работает универсальная термоэлектрическая машина от внешнего источника теплового и светового излучения следующим образом.

После получения достаточной мощности термоэлектрической энергии от источника теплового и светового излучения от множества модулей и блоков полупроводниковых термоэлементов 4 верхнего яруса 13 и множества модулей и блоков термопар 5 нижнего яруса 14 универсальная термоэлектрическая машина 1 начнет вращение магнитной системы ротора 2 по часовой стрелке. При этом движение тока 21 в полупроводниковых термоэлементах 4, верхнего яруса 13, должно быть направлено в одном направлении от низа к верху, а движение тока 22 термопар 5 нижнего яруса 14 должно быть направлено в другом направлении от верха к низу. После изменения конструкции и направления движения тока во множестве модулей и блоков полупроводниковых термоэлементов 4 верхнего яруса 13 и во множестве модулей и блоков термопар 5 нижнего яруса 14 на обратное направление движения тока универсальная термоэлектрическая машина будет вращаться против часовой стрелки. В статическом режиме универсальная термоэлектрическая машина, без системы возбуждения 2, будет работать в качестве термоэлектрического генератора постоянного тока.

ТермоЭДС, которая была получена от внешнего источника теплового и светового излучения, при помощи множества модулей и блоков полупроводниковых термоэлементов 4, верхнего яруса 13 и множества модулей и блоков термопар 5, нижнего яруса 14, будет зависеть от разности температур между узлом нагревателя 19 и узлом охладителя 20.

При проектировании универсальных термоэлектрических машин необходимо учитывать, что термоЭДС, которая будет получена от разности температур между узлом нагревателя 49 и 51 и узлом охладителя 50 и 52, от множества модулей и блоков термопар верхнего яруса 24 и множества модулей и блоков термопар нижнего яруса 27, не зависит от длины термопар. Полученная термоЭДС от термопары длиной в несколько метров будет идентична термопаре, которая имеет длину несколько сантиметров, но внутреннее сопротивление этих термопар будет различным. Разность внутреннего сопротивления будет сильно влиять на ток, который проходит внутри термопар, а вследствие этого, на результативную мощность всех блоков и модулей универсальной термоэлектрической машины.

Например, термопара, состоящая из сплавов хромель-копель (ХК), имеющая длину один метр и диаметр провода 0,3 мм при 20°С, будет иметь:

- внутреннее сопротивление провода хромель - 8,91 Ом,

- внутреннее сопротивление провода копеля - 5,94 Ом,

- полное сопротивление термопары (ХК) будет - 14,85 Ом.

Тогда, термопара, состоящая из сплавов хромель-копель (ХК), имеющая один виток длиной 10 см и диаметром провода 0,3 мм при 20°С, будет иметь:

- внутреннее сопротивление провода хромель - 0,891 Ом,

- внутреннее сопротивление провода копеля - 0,594 Ом,

- полное сопротивление термопары (ХК) будет - 1,485 Ом.

При разности температур в 700°С между узлом нагревателя 49 и 51 и узлом охладителя 50 и 52 на концах данных термопар появится термоЭДС = 59,45 мВ.

где

1 вольт - 1000 мВ

× вольт - 59,45 мВ

Тогда полученный ток от одной термопары, имеющей длину один метр, будет:

а ток, полученный от одной термопары, имеющей длину 10 см, будет:

Например, на одном модуле магнитопровода расположено два блока обмоток по 300 витков верхнего яруса и два блока обмоток по 300 витков нижнего яруса, которые соединены параллельно, где количество модулей будет зависеть от диаметра машины. Если не учитывать изменение внутреннего сопротивления термопар, при повышении температуры, то от двух блоков верхнего яруса можно получить ток:

0,04003367003 А · 300 витков · 2 = 24,020202018 А

От двух блоков нижнего яруса можно получить ток:

0,04003367003 А · 300 витков · 2 = 24,020202018 А

при этом термоЭДС каждого модуля будет составлять - 0,05945 вольт.

Из законов физики известно, что сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, пропорциональна силе тока, активной длине проводника и интенсивности магнитного поля - магнитной индукции.

F=B·I·L·sin∠α

F - сила, Н,

I - сила тока, А,

L - длина проводника, м,

B - магнитная индукция, тесла (Тл),

sin∠α - угол между проводником и направлением магнитных силовых линий.

Необходимо особо подчеркнуть, что в данной формуле даже нет упоминания о напряжении на зажимах этого проводника, так как оно не влияет на перемещение проводника в магнитном поле. Из этого выражения следует, что ток, полученный от множества модулей и блоков термопар верхнего яруса 24 и множества модулей и блоков термопар нижнего яруса 27, между узлом нагревателя 49 и 51 и узлом охладителя 50 и 52, для вращения универсальной термоэлектрической машины, будет достаточным. Основными параметрами, от которых зависит мощность универсальной термоэлектрической машины, являются длина проводника и сила тока, расположенных в магнитном поле. Доказательством этого служат универсальные электрические машины Белашова с диэлектрическим ротором, имеющие порог чувствительности меньше 0,5 В, при котором происходит начальное вращение ротора машины.

Например, определим силу, с которой будет перемещаться множество обмоток термопар ротора внутри системы возбуждения.

F=В·L·I·sin∠α=

=0,75·(0,06·1200)·0,04003367 А·0,70710=1,528621636223 Н

где

n - общее количество обмоток термопар одного модуля - 1200,

В - магнитная индукция системы возбуждения статора - 0,75 Тл,

I - ток, проходящий по одной обмотке термопары, = 0,04003367 А,

L - рабочая длина верхнего и нижнего яруса магнитопроводов статора - 0,06 м,

sin∠a - угол 45 градусов = 0,70710678118654752440084436210485.

Переведем ньютоны в кгс:

1 кгс = 9,80665 Н

× кгс = 1,528621636223502 Н

При десяти блоках термопар, расположенных на одном модуле, суммарный момент силы на диаметре, где размещены обмотки термопар, будет = 1,55876026596595371508109293183 кг.

Однако из этой силы необходимо вычесть:

- потери в изоляции и уменьшение разности температур между узлом нагревателя и узлом охладителя,

- потери на внутреннее сопротивление термопар при повышении температуры,

- потери на реактивное сопротивление якоря,

- потери на вихревые токи магнитопроводов,

- потери на трение подшипников,

- потери на массу ротора и т.д.

Более эффективным будет являться изготовление универсальной термоэлектрической машины с диэлектрическим (диамагнитным) статором, который обладает большим преимуществом перед электрическими машинами, у которых статор выполнен из ферромагнитного материала, тем, что:

- имеют хорошее охлаждение,

- имеют высокую степень надежности,

- имеют надежное сопротивление изоляции,

- имеют небольшие габариты и небольшой вес,

- имеют прямоугольный сигнал импульсного напряжения,

- могут автоматически определять термоЭДС поступающего сигнала,

- могут иметь систему слежения и регулирования, которая будет способна автоматически изменять параметры машины,

- диэлектрический статор не имеет потерь на реактивное сопротивление якоря, поэтому целесообразность использования таких машин будет возрастать.

Работает универсальная термоэлектрическая машина от внутреннего источника теплового излучения следующим образом.

После получения достаточной мощности термоэлектрической энергии от внутреннего источника теплового излучения от множества модулей и блоков термопар 24, верхнего яруса 25 и множества модулей и блоков термопар 26, нижнего яруса 27 универсальная термоэлектрическая машина начнет вращение магнитопроводов 41 ротора 42 против часовой стрелки. При этом движение тока 53 в термопарах 24, верхнего яруса 25 должно быть направлено в одном направлении от низа к верху, а движение тока 54 термопар 26 нижнего яруса 27 должно быть направлено в другом направлении от верха к низу. После изменения конструкции и направления движения тока во множестве модулей и блоков термопар 24, верхнего яруса 25 и множестве модулей и блоков термопар 26, нижнего яруса 27 на обратное заставит вращаться универсальную термоэлектрическую машину по часовой стрелке. В статическом режиме универсальная термоэлектрическая машина, без системы возбуждения 37, будет работать в качестве термоэлектрического генератора постоянного тока.

При разности температур в 700°С между узлом нагревателя 49 и 51 и узлом охладителя 50 и 52 на концах данных термопар появится термоЭДС = 59,45 мВ. Если мы знаем сколько мВ получается от одной термопары, то мы можем вычислить общее напряжение одного модуля.

Например, на одном модуле магнитопровода расположено два блока обмоток по 300 витков верхнего яруса и два блока обмоток по 300 витков нижнего яруса, которые соединены последовательно, где количество модулей будет зависеть от диаметра машины. От двух блоков верхнего яруса можно получить напряжение:

0,05945 вольт · 300 витков · 2 = 35,67 В

От двух блоков нижнего яруса можно получить напряжение:

0,05945 вольт · 300 витков · 2 = 35,67 В

при этом ток каждого модуля будет составлять - 0,04003367003 А.

Изобретение позволяет создать в энергетике, промышленности и народном хозяйстве новые типы энергосберегающих термоэлектрических машин и генераторов постоянного тока, которые преобразуют тепло работающих ядерных реакторов, энергетических блоков, двигателей внутреннего сгорания, источников солнечной энергии, источников термальных вод, печей, газовых горелок и других технических сооружений в электрическую энергию, а также в качестве электрических машин постоянного тока, работающих от источника термоэлектричества, получаемого от перепада температур, устройств вращения магнитных систем, вращающихся фурм для установок сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, силовых приводов транспортных средств, подъемных механизмов, транспортеров, систем автоматического регулирования и управления механическими устройствами, измерительных и эталонных устройств, а также в военных и космических целях.

Источники информации

1.Сена Л.А.“Единицы физических величин и их размерность”. "Наука", Главная редакция физико-математической литературы. Москва, 1988г.

2.Кабардин О.Ф.“Физика, справочные материалы”. “Просвещение”. Москва, 1988г.

3.Иоффе А.Ф. “Полупроводниковые элементы”. АН СССР. М. - Л., 1960 г.

4.Китаев В.Е., Шляпинтох Л.С. “Электротехника с основами промышленной электроники”. “Высшая школа”. Москва, 1973 г.

5.Соловцов В.К. “Контрольно-измерительные приборы”. “Высшая школа”. Москва, 1968 г.

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей конструктивного выполнения универсальной термоэлектрической машины, предназначенной для использования в энергетике, промышленности и народном хозяйстве в качестве статического или динамического термоэлектрического генератора постоянного тока, который преобразует тепло работающих ядерных реакторов, энергетических блоков, двигателей внутреннего сгорания, источников солнечной энергии, источников термальных вод, печей, газовых горелок и других технических сооружений в электрическую энергию, а также в качестве электрических машин постоянного тока, работающих от источника термоэлектричества, получаемого от перепада температур, устройств вращения магнитных систем, вращающихся фурм для установок сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем, силовых приводов транспортных средств, подъемных механизмов, транспортеров, систем автоматического регулирования и управления механическими устройствами, измерительных и эталонных устройств. Предлагаемая универсальная термоэлектрическая машина содержит множество термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а вторая n-типа верхнего яруса, или множество проводников, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде термопар нижнего яруса, которые, не меняя направление движения тока в проводниках, проходят сквозь множество замкнутых магнитных систем без каких-либо переключающихся устройств. Универсальная термоэлектрическая машина, содержащая также корпус, статор с магнитной системой возбуждения, выполненной в виде одного монолитного магнита, имеющего магнитопровод, магнит северного полюса, размещенного на орбите верхнего яруса, и магнит южного полюса, размещенного на орбите нижнего яруса, которые расположены через равномерные или неравномерные промежутки, для взаимодействия через воздушный зазор с множеством батарей указанных полупроводниковых термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая n-типа, или множеством батарей термопар, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде отдельных модулей, собранных в блоки и установленных в термическом изоляционном и экранирующем устройстве на магнитопроводах верхнего и нижнего ярусов. Универсальная термоэлектрическая машина содержит множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар, которые расположены между узлом нагревателя и узлом охладителя и установлены вокруг магнитопроводов статора, смонтированных на диэлектрическом основании орбит верхнего и нижнего ярусов. Магнитопроводы верхнего основания под заданным углом соединены с магнитопроводами нижнего основания и через воздушные зазоры взаимодействуют с системой возбуждения ротора. Множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар верхнего и нижнего ярусов защищено от узла нагревателя защитным кожухом, керамической вставкой и теплоизоляционным устройством, а сам узел нагревателя в местах соединений проводников горячего спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, расположен на внешней стороне корпуса для взаимодействия с внешним источником теплового излучения или внутри ротора для взаимодействия с внутренним источником теплового излучения. Узел охладителя расположен внутри машины, в местах соединений проводников холодного спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, которые взаимодействуют с холодильным устройством, установленным внутри магнитной системы возбуждения ротора и выполненным в виде холодильного аппарата абсорбционно-диффузионного типа. При вращении машины от сигнала постоянного тока во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов и множестве батарей термопар, размещенных на орбите верхнего яруса, результирующая сила должна быть направлена по часовой стрелке, а во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов и множестве батарей термопар, размещенных на орбите нижнего яруса, должна быть направлена против часовой стрелки. Причем в зависимости от предназначения универсальной термоэлектрической машины магнитную систему возбуждения, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар можно установить на валу или на корпусе. При использовании внешнего источника солнечного или теплового излучения, расположенного в окружающей среде, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар должны быть расположены на внешней стороне корпуса, а при использовании внутреннего источника теплового излучения множество батарей термопар верхнего яруса и множество батарей термопар нижнего яруса должны быть расположены внутри ротора, при этом вращение, через элементы качения или скольжения, может быть осуществлено как самого вала, так и его корпуса. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Универсальная термоэлектрическая машина, содержащая корпус, статор с магнитной системой возбуждения, выполненной в виде одного монолитного магнита, имеющего магнитопровод, магнит северного полюса, размещенного на орбите верхнего яруса, и магнит южного полюса, размещенного на орбите нижнего яруса, или содержит множество магнитных систем возбуждения с магнитопроводами, магнитами северного полюса и магнитами южного полюса, которые расположены через равномерные или неравномерные промежутки, для взаимодействия через воздушный зазор с множеством магнитопроводов, имеющих множество многовитковых обмоток верхнего яруса и множество многовитковых обмоток нижнего яруса, размещенных на валу ротора, который через элементы качения или скольжения взаимодействует с корпусом, отличающаяся тем, что дополнительно включает в себя узел нагревателя и узел охладителя, между которыми размещено множество батарей полупроводниковых термоэлементов, имеющих две ветви, одна из которых p-типа, а другая n-типа, множество батарей термопар, имеющих две ветви из разнородных проводников, выполненных в виде отдельных модулей, собранных в блоки и установленных в термическом изоляционном и экранирующем устройстве вокруг магнитопроводов статора, смонтированных на диэлектрическом основании орбит верхнего и нижнего ярусов, где магнитопроводы верхнего основания под заданным углом соединены с магнитопроводами нижнего основания и через воздушные зазоры взаимодействуют с системой возбуждения ротора, где для надежного разделения магнитных потоков между магнитопроводами установлены диэлектрические вставки, где множество батарей полупроводниковых термоэлементов и термопар верхнего и нижнего ярусов защищено от узла нагревателя защитным кожухом, керамической вставкой и теплоизоляционным устройством, а сам узел нагревателя в местах соединений проводников горячего спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, расположен на внешней стороне корпуса для взаимодействия с внешним источником теплового излучения или внутри ротора для взаимодействия с внутренним источником теплового излучения, где узел охладителя расположен внутри машины в местах соединений проводников холодного спая, состоящих из разнородных материалов или полупроводниковых термоэлементов, который взаимодействует с холодильным устройством, установленным внутри магнитной системы возбуждения ротора и выполненным в виде холодильного аппарата абсорбционно-диффузионного типа, при работе машины от магнитной системы возбуждения, состоящей из множества отдельных магнитных систем возбуждения, необходимо вводить коллектор для отключения множестве батарей полупроводниковых термоэлементов или множества батарей термопар при нахождении их вне зоны действия магнитных систем возбуждения, а вращение машины от сигнала постоянного тока во множестве батарей полупроводниковых термоэлементов и множестве батарей термопар, размещенных на орбите верхнего яруса, должно быть направлено по часовой стрелке, а размещенных на орбите нижнего яруса должно быть направлено против часовой стрелки, причем в зависимости от предназначения универсальной термоэлектрической машины магнитную систему возбуждения, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар можно установить на валу или на корпусе, при использовании внешнего источника солнечного или теплового излучения, расположенного в окружающей среде, множество батарей полупроводниковых термоэлементов и множество батарей термопар должны быть расположены на внешней стороне корпуса, а при использовании внутреннего источника теплового излучения множество батарей термопар верхнего яруса и множество батарей термопар нижнего яруса, должны быть расположены внутри ротора, при этом вращение может быть осуществлено как самого вала, так и его корпуса.

2. Универсальная термоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус машины выполнен в виде фурмы и размещен внутри установки для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем.

3. Универсальная термоэлектрическая машина по п.1, отличающаяся тем, что корпус машины имеет отверстия фланцевого соединения и входит в состав установки для сжигания твердых бытовых и других органических отходов с углем.

4. Универсальная термоэлектрическая машина по п.2 или 3, отличающаяся тем, что корпус машины содержит клапана, которые связаны с устройством импульсной подачи дутья (воздуха, обогащенного кислородом, или кислорода).