Летательный аппарат с электростатическим генератором для электроснабжения термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса Российский патент 2022 года по МПК H01L35/28 B64D33/00 

Изобретение относится к термоэлектрической полупроводниковой холодильной технике, а именно к производству холода и теплоты в летательном аппарате с целью кондиционирования воздуха и отопления в салонах и помещениях летательного аппарата и охлаждения авиационного генератора, с наличием или отсутствием которого связаны массогабаритные показатели генератора.

Известен термоэлектрический полупроводниковый холодильник. Принцип его действия основан на том, что при протекании постоянного тока через спай двух разнородных полупроводников, в спае в зависимости от направления тока - направления движения электронов проводимости, выделяется или поглощается теплота - эффект Пельтье.

Термоэлектрический полупроводниковый холодильник имеет широкое распространение благодаря своей конструктивной простоте, удобству и высокой надежности в эксплуатации [Демидченко В.И. Физика: учебник / В.И. Демидченко, И.В. Демидченко. - 6-е изд., перераб. и доп.- М.: ИНФРА-М, 2020. - 581 с.]

Недостатком термоэлектрического полупроводникового холодильника является неэкономичность источников постоянного тока. Этим в основном обусловлено низкое значение холодильного коэффициента реальных термоэлектрических холодильников, которое значительно ниже теоретического.

В летательном аппарате постоянный электрический ток получают в электростатическом генераторе. В генераторе стекание свободных электронов с поверхности летательного аппарата осуществляется с помощью токосъемников в виде медных проводников, расположенных на концах левой и правой консолей крыла и горизонтального оперения с килем, и килевого гребня. Токосъемники переходят в проводники с диодами, затем объединяются в один проводник, который направляется на отрицательную пластину конденсатора, выполняющего функцию аккумулятора, а заряд положительной пластины конденсатора формируется от металлоконструкций летательного аппарата.

Задачей изобретения является технологическая разработка термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса, электроснабжение которого осуществляется от электростатического генератора летательного аппарата, как бесплатного источника электрической энергии постоянного тока, который использует кинетическую энергию набегающего воздуха и из-за трения на элементах летательного аппарата, создает поток свободных электронов, движущихся в направлении к хвостовой части летательного аппарата. В электростатическом генераторе летательного аппарата решена задача организации перемещения электронов по окончанию их пути в направленное движение и, следовательно, в получении электрического тока.

Техническим результатом является технологический проект конструкции термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса, электроснабжение которого осуществляется от электростатического генератора летательного аппарата.

Технический результат достигается тем, что в электростатическом генераторе используется кинетическая энергия набегающего воздуха и из-за трения на элементах летательного аппарата создается поток свободных электронов, движущихся в направлении к хвостовой части летательного аппарата и затем стекают с поверхности летательного аппарата в местах с хорошим обдувом потоком воздуха и наибольшей поверхностной плотностью электронов, с помощью медных проводников, по которым электроны, потерявшие статус свободных и ставшие электронами проводимости, начнут поступать в электрическую цепь электростатического генератора, который производит постоянный электрический ток и который пропускается через разнородную полупроводниковую электрическую цепь со спаянными концами двух полупроводников, и в которой в спаях, при прохождении постоянного электрического тока, возникают разные температуры.

На фиг. 1. изображена технологическая схема конструкции электростатического генератора постоянного тока, как источника энергии для термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса и термоэлектрический полупроводниковый холодильник - тепловой насос; на фиг.2. представлена структурная схема, демонстрирующая принцип действия термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса.

Летательный аппарата, воображаемый в виде виртуальной металлоконструкции 1, с электростатическим генератором постоянного тока, который содержит токосъемники 2, установленные в местах с максимальной поверхностной плотностью электронов, например, на фрагментах левой и правой консолей крыла и хвостового оперения, и гребня киля, проводники в изоляции 3 и диоды 4, объединяемые в узле 5 в единый проводник 6 генератора, конденсатор накопительный 7, конденсатор разделительный 8; с термоэлектрическим полупроводниковым холодильником - тепловым насосом, который содержит источник постоянного электрического тока 9, разнородные полупроводники 10 и 11, холодный 12 и горячий 13 спаи.

Летательный аппарат с электростатическим генератором для электроснабжения термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса функционирует следующим образом. В результате трения набегающего воздуха с поверхностью летательного аппарата появляются отрицательные электрические заряды на корпусе и элементах конструкции при полете летательного аппарата. Стекание свободных электронов с поверхности летательного аппарата, воображаемого на фиг. 1. в виде виртуальной металлоконструкции 1. происходит в местах с хорошим обдувом высокоскоростным потоком воздуха и наибольшей поверхностной плотностью электронов, имеющей место на килевом гребне, левой и правой консолях горизонтального хвостового оперения и крыла, которое осуществляется с помощью токосъемников 2. в количестве не менее пяти, и последующих пяти проводников в изоляции 3, каждый из которых с диодом 4, объединяемые в узле 5 в единый проводник 6 электростатического генератора. Электроны, войдя в токосъемники, утрачивают статус свободных и становятся электронами проводимости. Организованное движение электронов является электрическим током, а после выпрямления в диодах 4 - постоянным и поступает на отрицательную пластину накопительного конденсатора 7. Заряд положительной пластины формируется от металлоконструкции 1 летательного аппарата с помощью разделительного конденсатора 8. Конденсатор накопительный 7 выполняет функцию аккумулятора энергии и является источником электроснабжения постоянным током, который требуется в военной и легкомоторной авиации. На этом электрическая цепь электростатического генератора постоянного тока заканчивается.

Электростатический генератор представляет собой бесплатный источник постоянного тока для питания термоэлектрического полупроводникового холодильника -теплового насоса, который работает следующим образом. В спаях 12 и 13 возникает контактное электрическое поле напряженностью Е_к. Согласно полученному направлению электрического тока I от электростатического генератора, как стороннего источника, следует что напряженности контактного Е_к и стороннего Е электрических полей на спаях 12 и 13 имеют взаимную ориентацию, которая показана на фиг. 1. Это значит, что электроны в спае 12 движутся вдоль контактного поля, а в спае 13 - против. Следовательно, в спае 12 векторы напряженностей двух полей противоположно направлены и поэтому электроны проводимости испытывают торможение со стороны контактного электрического поля. Кинетическая энергия их уменьшается. При столкновениях с ионами кристаллической решетки в спае 12 электроны получают от ионов энергию, понижая внутреннюю энергию, а следовательно, и температуру спая 12. В спае 13 результирующее электрическое поле из-за одинаковой направленности векторов Е и Е_к возрастает относительно спая 12, и в нем происходит, противоположный предыдущему, процесс повышения температуры - спай 13 нагревается. На фиг. 2. демонстрируется принцип действия термоэлектрического холодильника - теплового насоса: при протекании постоянного тока через спай разнородных полупроводников 10 и 11 в этом спае в зависимости от направления тока выделяется или поглощается соответственно теплота Q₁ и Q₂ Применительно к фиг. 2. в спаях обозначенных буквой «г», теплота выделяется, а в спаях «х» - поглощается, за счет чего спаи приобретают температуру Т_г и Т_х.

Изобретение относится к термоэлектрической полупроводниковой холодильной технике, а именно к производству холода и теплоты в ЛА с целью кондиционирования воздуха и отопления и охлаждения авиационного генератора, с наличием или отсутствием которого связаны массогабаритные показатели генератора. Электроснабжение термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса осуществляется от электростатического генератора, который использует кинетическую энергию набегающего воздуха и из-за трения на элементах ЛА, создает поток свободных электронов, движущихся в направлении к хвостовой части ЛА. Стекание свободных электронов с поверхности ЛА в местах с хорошим обдувом потоком воздуха и наибольшей поверхностной плотностью электронов производится с помощью медных проводников, по которым электроны, потерявшие статус свободных и ставшие электронами проводимости, начнут поступать в электрическую цепь электростатического генератора, который производит постоянный электрический ток и который пропускается через разнородную полупроводниковую электрическую цепь со спаянными концами двух полупроводников, и в которой в спаях, при прохождении постоянного электрического тока, возникают разные температуры. Разработан технологический проект конструкции термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса. 2 ил.

Летательный аппарат с электростатическим генератором для электроснабжения термоэлектрического полупроводникового холодильника - теплового насоса, включающий корпус, крыло, горизонтальное хвостовое оперение, на левой и правой консолях которых и килевом гребне установлены токосъемники для отвода с поверхности летательного аппарата свободных электронов, переходящие в проводники с диодами и последующим объединением в единый проводник, через который отрицательный заряд подается в конденсатор накопительный, а положительный заряд в конденсаторе формируется от металлоконструкции летательного аппарата с помощью разделительного конденсатора, отличающийся тем, что постоянный электрический ток от конденсатора накопительного пропускается через замкнутую цепь, состоящую из двух разнородных полупроводников, концы которых спаяны и в которых возникает разность температур, используемая, например, для эксплуатации термоэлектрического полупроводникового холодильника и теплового насоса, а также охлаждения авиационного генератора.