Термоэлектрический генератор Российский патент 2020 года по МПК H01L35/00 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к конструкции термоэлектрического генератора с воздушным охлаждением естественным или принудительным.

Известна конструкция термоэлектрического генератора (ТЭГ), содержащая источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены термоэлектрические модули и радиаторы воздушного охлаждения (см. Р.В. Ковальский. Инженерные методы расчета термоэлектрических генераторов. Стр. 50, рис. 2.1, издательство «Наука», 1990 г.). Однако известное решение имеет ряд существенных недостатков, основной из которых связан с большим объемом механических и сварных работ, вызванных необходимостью фрезеровки в алюминиевом основании радиатора пазов под алюминиевые ребра охлаждения с последующей сваркой каждого ребра по всей длине и последующей шлифовкой теплосъемной поверхности радиатора. Другие технологии соединения основания с ребрами охлаждения не обеспечивают требуемого термического сопротивления в зоне их контактирования, например, плотная посадка, зачеканка и необходимой однородности температурного поля по холодной стороне составной части ТЭГ термоэлектрического модуля (ТЭМ), что отрицательно сказывается на энергетических характеристиках ТЭМ и, следовательно, термоэлектрического генератора. Некоторые технологии, например, экструзия, литье, позволяют получить радиаторы с хорошим теплоконтактом между основанием радиатора и его ребрами охлаждения, но такие радиаторы имеют короткие ребра и рассчитаны на небольшие тепловые потоки (0,1-0,5 Вт/см'') существующие в радиотехнических устройствах. В ТЭГах генерируемая в нагрузку электрическая мощность пропорциональна величине теплового потока, проходящего через радиатор, который в наиболее распространенных конструкциях, например, газовых генераторах (ТЭГах) с востребованной мощностью 150-500 Вт и более составляет 8-10 Вт/см².

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является известная конструкция термоэлектрического генератора, содержащая источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены термоэлектрический модуль и основание воздушного радиатора, снабженного неподвижно установленными ребрами охлаждения, выполненными из теплопроводных материалов. (См. Ржевский В.М., Тереков А.Я. Перспективы развития термоэлектрической энергетики. «Автономная энергетика», №21, 2006 г., стр. 23-30, рис. 5, издание ОАО НПП «КВАНТ»).

Однако и это решение обладает вышеперечисленными недостатками, свойственными аналогу. Кроме того это известное решение сложно в изготовлении, имеет большой процент отходов при обработке основания радиатора. Кроме того и радиатор, и его ребра охлаждения изготавливаются из одного и того же материала, например алюминия, что не позволяет сделать радиатор комбинированным из разных материалов и использовать достижения материаловедения в области создания новых теплопроводных материалов, например, композитов, обладающих меньшим весом и низкой стоимостью.

Для устранения указанных выше недостатков и повышения эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую, предлагается конструкция термоэлектрического генератора, содержащая источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении укреплены термоэлектрический модуль и основание воздушного радиатора, снабженного ребрами охлаждения, выполненными из теплового материала, в которой радиатор изготовлен в виде набора установленных в одной горизонтальной плоскости и параллельно друг другу последовательно чередующих пластин разной высоты, соединенных неподвижно между собой боковыми сторонами так, что низкие пластины образуют основание радиатора, а высокие и основание радиатора и его ребра охлаждения, причем ширина низких пластин равна расстоянию между ребрами, а их высота прямо пропорциональна отводимому тепловому потоку и обратно пропорциональна их теплопроводности и гидравлическому сопротивлению воздушного потока межреберного зазора радиатора, а неподвижное соединение всех низких и высоких пластин между собой выполнено с помощью стяжных шпилек, расположенных в параллельных сквозных отверстиях в пластинах перпендикулярно плоскостям их соприкосновения, при этом боковые поверхности всех пластин в зоне контакта между собой снабжены покрытием из меди, никеля, серебра и сплавов на их основе, в этом случае неподвижное соединение пластин между собой с помощью пайки или диффузионной сварки может быть изготовлено более качественно, причем боковые поверхности ребер охлаждения параллельны направлению проходящего через них воздушного потока, или что боковые поверхности ребер охлаждения повернуты под углом на 10-25°С к продольной оси основания радиатора и направлению воздушного потока, а боковые поверхности ребер охлаждения выполнены гладкостенными, или боковые поверхности ребер имеют, по крайней мере, с внутренней стороны штампованные конусообразные выступы, высота которых не превышает расстояния между ребрами. Высокие ребра радиатора имеют в сечении волнообразный профиль в части выходящей по высоте за пределы основания, образуемого низкими пластинами, причем основание и ребра радиатора выполнены из меди, алюминия, никеля, сплавов на их основе или теплопроводных композитных материалов, или оптимального сочетания вышеперечисленных материалов, а крайне (боковые) ребра охлаждения имеют в вершине Г-образный консольный изгиб, причем консольные части направлены друг другу и по длине, по крайней мере, равны половине ширины радиатора, и стяжные шпильки выполнены из теплопроводных материалов, например, никеля, молибдена, меди, сплавов на их основе и низкоуглеродистой стали, кроме того неподвижное соединение всех пластин выполнено в виде их склеивания.

Предложенная конструкция термоэлектрического генератора поясняется чертежом (рис. 1), где Q - источник тепла, 1 - теплоприемник термоэлектрического генератора, 2 - термоэлектрический модуль (ТЭМ), образующий вместе с теплоприемником и радиатором термоэлектрический генератор (ТЭГ), 3 - электрическая изоляция, 4 - основание радиатора, состоящее из соединенных между собой низких пластин, 5 - высоких пластин ребер охлаждения радиатора, 6 - боковые Г-образные ребра радиатора, 7 - стяжная шпилька, 8 - тарельчатая пружина, 9 - стяжная гайка, R_н - полезная электрическая нагрузка ТЭГ.

Термоэлектрический генератор (ТЭГ) предложенной конструкции работает следующим образом. При включении источника теплового потока (Q), например, газовой горелки, тепло через теплоприемник (1) ТЭГа поступает на термоэлектрический модуль (2) и затем сбрасывается в окружающую среду с помощью радиатора, состоящего из основания (4) и ребер охлаждения (5, 6). Для более эффективного отвода тепла от термоэлектрического модуля, консольные части боковых ребер радиатора (6) изогнуты навстречу друг другу до, как минимум, соприкосновения изогнутых частей, благодаря чему происходит концентрация воздушного потока проходящего через ребра радиатора и повышение его эффективности, а, следовательно, и увеличение электрической мощности ТЭГ, генерируемой в нагрузку.

Экспериментальная проверка предложенной ТЭГ показала, что генерируемая им удельная электрическая мощность составляет 0,9-1,0 Вт/см², это находится на уровне лучших мировых образцов. При этом при изготовлении ТЭГ в частности его радиаторов не требуется трудоемких операций, например, фрезерование канавок в основании под ребра охлаждения с последующей их сваркой с основанием, что значительно снижает себестоимость ТЭГ, при одновременном повышении его энергетической эффективности.

Конструкция радиатора для ТЭГ считается по известным методикам, так, например для ТЭГ через термоэлектрический модуль которого проходит удельный тепловой исток 10-12 Вт/см² высота низких ребер (4), образующих основание составляет 15-17 мм, при их ширине 3-4 мм, составляющем межреберный зазор для высоких ребер радиатора (5), а длина ребер как коротких так и длинных определяется геометрическими размерами термоэлектрического модуля (2) являющегося составной частью ТЭГ, и на 8-10% превышает длину последнего. Высота длинных ребер радиатора (5) так же определяется расчетным путем и, например, для вышеуказанного теплового потока составляет 150-170 мм при размере сечения (толщине) 1,5-1,7 мм. Для конструкции радиатора, образуемой ребрами (4, 5) выбираются материалы с максимально большей теплопроводностью, например, меди, алюминия, никеля, молибдена или композитов, например, стеклоуглерода с наполнителем в виде синтетической алмазной пыли, оптимального сочетания вышеперечисленных материалов. Такая оптимизация возможна только в сборном радиаторе предложенной конструкции.

Соединение радиатора с ТЭМ осуществляется любым из известных способов, например, пайки, склеивания, диффузионной сварки или теплопроводной пасты. Возможен так же пружинный поджим радиатора по известной схеме. Ширина радиатора (как показано на рис. 1) так же превосходит ширину ТЭМ (как и длину) на 8-10% с целью увеличения перепада температуры (ΔT) на ТЭМ, мощность которого пропорциональна ΔT в квадрате. Возможен так же пружинный поджим радиатора по известной схеме.

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генератора (ТЭГ), содержащего источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении укреплены термоэлектрический модуль и основание воздушного радиатора, снабженного ребрами охлаждения. Отличительной особенностью генератора предложенной конструкции является то, что радиатор изготовлен в виде набора установленных в одной горизонтальной плоскости и параллельно друг другу последовательно чередующихся пластин разной высоты, соединенных между собой боковыми сторонами так, что низкие пластины образуют основание радиатора, а высокие - одновременно основание радиатора и его ребра охлаждения, причем толщина низких пластин равна воздушному зазору между ребрами, а их высота прямо пропорциональна отводимому через радиатор тепловому потоку и обратно пропорциональна их теплопроводности. Неподвижное соединение всех низких и высоких пластин между собой выполнено с помощью стяжных шпилек, расположенных в параллельных сквозных отверстиях в пластинах, причем отверстия под шпильки перпендикулярны плоскостям боковых сторон соприкосновения пластин, которые в зоне контакта между собой снабжены покрытием из меди, никеля, серебра и сплавов на их основе, что улучшает качество неподвижного соединения всех пластин между собой с помощью пайки или диффузионной сварки. Техническим результатом является снижение трудоемкости изготовления и повышение эффективности ТЭГ. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Термоэлектрический генератор, содержащий источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении укреплены термоэлектрический модуль и основание воздушного радиатора, снабженного ребрами охлаждения, выполненными из теплопроводного материала, отличающийся тем, что радиатор изготовлен в виде набора установленных в одной горизонтальной плоскости и параллельно друг другу последовательно чередующихся пластин разной высоты, соединенных между собой боковыми сторонами так, что низкие пластины образуют основание радиатора, а высокие - основание радиатора и его ребра охлаждения, причем толщина низких пластин равна воздушному зазору между ребрами, а их высота прямо пропорциональна отводимому тепловому потоку и обратно пропорциональна их теплопроводности, причем неподвижное соединение всех низких и высоких пластин между собой выполнено с помощью стяжных шпилек, расположенных в параллельных сквозных отверстиях, которые перпендикулярны плоскостям соприкосновения боковых сторон пластин.

2. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что боковые стороны всех пластин в зоне контакта между собой снабжены покрытием из меди, никеля, серебра и сплавов на их основе.

3. Термоэлектрический генератор по п. 2, отличающийся тем, что неподвижное соединение пластин между собой выполнено с помощью пайки или диффузионной сварки.

4. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что боковые поверхности ребер охлаждения параллельны направлению проходящего через них воздушного потока.

5. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что боковые поверхности ребер охлаждения повернуты под углом на 10-25° к направлению воздушного потока.

6. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что боковые поверхности ребер выполнены гладкостенными.

7. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что боковые поверхности ребер охлаждения по крайней мере с одной внутренней стороны имеют штампованные конусообразные выступы, высота которых не превышает расстояния между ребрами.

8. Термоэлектрический генератор по п. 4, отличающийся тем, что высокие пластины имеют в сечении волнообразный профиль в части, выходящей по высоте за пределы основания, образуемого низкими пластинами.

9. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что основание и ребра радиатора выполнены из меди, алюминия, никеля, сплавов на их основе или теплопроводных композитных материалов, или оптимального сочетания вышеперечисленных материалов.

10. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что крайние (боковые) ребра охлаждения имеют в вершине Г-образный консольный изгиб, причем консольные части направлены навстречу друг другу и по длине, по крайней мере, равны половине ширины радиатора.

11. Термоэлектрический генератор по п. 1, отличающийся тем, что стяжные шпильки выполнены из теплопроводных материалов, например никеля, молибдена, меди, сплавов на их основе и низкоуглеродистой стали.

12. Термоэлектрический генератор по п. 2, отличающийся тем, что неподвижное соединение всех пластин выполнено в виде их склеивания.