Устройство защиты термоэлектрогенератора от перегрева Российский патент 2023 года по МПК H05B1/00 

Изобретение относится к термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Пельтье, и может использоваться при получении электроэнергии в автономных условиях.

Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) все более широко применяются для выработки электричества в отдаленных от ЛЭП местах, особенно для необслуживаемого оборудования, где предпочтителен минимум движущихся энергонапряженных узлов. Несмотря на низкий по сравнению с поршневыми и турбинными генераторами кпд, ТЭГ существенно превосходят их по надежности и по времени автономной работы.

Известен ряд термоэлектрогенераторов, основу конструкции которых составляют сборки элементов Пельтье, выпускаемых российскими и зарубежными производителями. Содержательный обзор на эту тему представлен в публикации ведущего российского производителя - компании «Криотерм» [https://static.chipdip.ru/lib/386/DOC001386708.pdf].

Наиболее популярны элементы на основе теллурида висмута, не требующие высоких рабочих температур и обладающие умеренным кпд. Элементы Пельтье, содержащие типично 127 кубиков полупроводника р и n проводимости, размещенные между керамическими пластинами с нанесенными электродами, собирают путем спайки. Выходное напряжение элемента пропорционально разности температур холодной и горячей пластин, соответственно выходная мощность элемента пропорциональна квадрату разности температур. Для достижения максимальной выходной мощности желательно поддерживать температуру горячей пластины на возможно большом уровне, однако, перегрев может привести к расплавлению припоя и дефрагментации элементов, а в случае менее интенсивного, но долговременного перегрева - к диффузии материалов и деградации характеристик генератора. В связи с этим большое значение для повышения надежности ТЭГ имеют средства защиты их от перегрева.

Типичный термоэлектрогенератор содержит нагреваемую пластину, непосредственно контактирующую с источником тепла, тепловыравнивающую пластину с присоединенной к ней батареей термоэлектрических модулей и охлаждаемую пластину, присоединенную к противоположным спаям термоэлектрических модулей. Охлаждение производится, как правило, жидкостным охладителем, отводящим поток тепла к радиатору с развитой поверхностью. В настоящее время перспективными считаются охладители на тепловых трубках, позволяющие максимально эффективно относить поток тепла в удобное для размещения радиатора место. Защита от перегрева осуществляется термомеханическим исполнительным устройством, способным отводить тепловыравнивающую пластину от нагреваемой пластины.

В известном устройстве защиты термоэлектрогенератора от перегрева [RU 2419749] тепловыравнивающая пластина подвешена к нагреваемой пластине на биметаллических защелках, служащих термомеханическим исполнительным устройством. При избыточном нагреве биметаллические защелки отводят выравнивающую пластину от нагреваемой пластины, уменьшая ее температуру, а после остывания - возвращают в исходное состояние. Одним из недостатков биметаллических защелок является гистерезисный характер срабатывания, что ведет к нестабильности вырабатываемой генератором мощности. Другим недостатком является неопределенность момента срабатывания, требующая предварительной регулировки устройства защиты. Кроме того, исполнительный механизм на биметаллических пластинках не всегда способен развивать усилия, которые могут перемещать термогенератор вместе навешенными на охлаждающую пластину средствами охлаждения.

Известно устройство защиты термогенератора от перегрева [RU 2348089] с термомеханическим исполнительным устройством, частично свободное от перечисленных недостатков. В нем тепловыравнивающая пластина закреплена на опорной нагреваемой пластине при помощи шарнира с поворотной осью. Биметаллические пластины установлены между опорной нагреваемой пластиной и тепловыравнивающей пластиной с обеспечением возможности поворачивающего воздействия биметаллических пластин на тепловыравнивающую пластину при их нагревании. В данном устройстве шарнирное соединение обладает большей механической устойчивостью, чем подвес на биметаллических пластинках. Тем не менее, остаются в силе недостатки, связанные с относительно малым усилием, развиваемым исполнительным устройством, и с неопределенностью момента срабатывания, требующей предварительной регулировки защитного устройства. Увеличение усилия связано с увеличением толщины пластин, а поскольку радиус изгиба биметаллической пластины связан с ее толщиной пропорциональной зависимостью, то для сохранения нужного перемещения требуется непомерное удлинение рабочей части. Неопределенность момента срабатывания обусловлена пропорциональной зависимостью развиваемого усилия от температуры биметаллической пластины. Моментом срабатывания является превышение указанного усилия над силой сопротивления шарнирного соединения, веса и упругости термогенератора и связанных с ним охлаждающих устройств. Следствием этого является необходимость юстировки термомеханического исполнительного устройства и нестабильность температуры в процессе эксплуатации.

Технический результат изобретения - повышение стабильности температуры срабатывания и увеличение развиваемого усилия.

Технический результат достигается тем, что в устройстве защиты термоэлектрогенератора от перегрева, содержащем термомеханическое исполнительное устройство, разделяющее нагреваемую пластину, контактирующую с источником тепла, и тепловыравнивающую пластину с присоединенной к ней батареей термоэлектрических модулей, отличие состоит в том, что термомеханическое исполнительное устройство представлено термосиловым элементом в виде установленной на тепловыравнивающей пластине капсулы с твердым углеводородным заполнителем, снабженной проходящим через сальник выдвижным штоком, упираемым в нагреваемую пластину, а также возвратной пружиной, установленной с возможностью сведения двух указанных пластин.

Технический результат дополняется тем, что в качестве углеводородного заполнителя капсулы выбирают материал из ряда озокерит-полиэтилен-полипропилен-АБС-поликарбонат.

Достижимость технического результата обусловлена следующим.

Термосиловой элемент в виде капсулы с твердым углеводородным заполнителем и выдвижным штоком аналогичен по свойствам термосиловым элементам, широко применяемым в термостатах автомобильных двигателей.

Заполнители из вышеприведенного ряда твердых углеводородов обладают свойством относительно большого расширения при плавлении, благодаря чему шток с большим усилием выталкивается из капсулы на расстояние, достаточное для прекращения теплового контакта пластин. Усилие расширения, определяемое молекулярными силами, несравнимо превосходит усилие, развиваемое биметаллическими пластинами. Благодаря этому срабатывание устройства не зависит от сил сопротивления подвески тепловыравнивающей пластины и соединенных с ней батареи термогенераторов и средств охдлаждения. Температура срабатывания устройства однозначно определяется температурой плавления заполнителя, благодаря чему оно не нуждается в юстировке и не склонно к нестабильности, связанной с условиями подвески. Выбор заполнителя из вышеприведенного ряда определяется температурами плавления твердых углеводородов, которые приведены в таблице 1.

Перечень не является исчерпывающим и может дополняться другими веществами.

Из таблицы явствует, что температуру срабатывания можно выбирать в широких пределах, в зависимости от эксплуатационных характеристик применяемых элементов Пельтье.

Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1-3, где 1 - общая компоновка термогенератора, 2 - пример реализации, 3 - характеристики исполнительного устройства для прототипа и для заявляемого устройства.

Термоэлектрогенератор (фиг. 1) содержит источник тепла 1, нагреваемую пластину 2, тепловыравнивающую пластину 3, батарею термоэлементов 4, средства охлаждения 5, подразумевающие местный радиатор, провода, шланги, тепловые трубы и т.п. и устройство защиты 6. Устройство защиты (фиг. 2) содержит установленную на тепловыравнивающей пластине 3 капсулу 7, заполненную твердым углеводородом 8, снабженную проходящим через сальник 9 штоком 10. Сальник типично представлен калиброванным отверстием в основании капсулы. Защитное устройство снабжено также возвратной пружиной 11, обеспечивающей сведение пластин 2 и 3 в холодном состоянии. Как вариант, пружина установлена между пластиной 3 и головкой винта 12, свободно проходящего в отверстие пластины 3 и завинченного в пластину 2. Возможны различные варианты установки возвратной пружины при помощи скоб, кронштейнов и т.п.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии все части находятся при нормальной температуре. Шток утоплен в капсуле. Пластина 3 прижата к пластине 2 посредством возвратной пружины 11. С разогревом пластины 3 и капсулы 7 твердый углеводородный материал 8 в ней расплавляется, испытывая расширение. Размягченный материал с большой силой выталкивает шток 10, производя разведение пластин. Наглядным примером величины молекулярных сил служит разрыв емкостей с водой при замерзании. По мере разведения пластин нарастание температуры прекращается и устанавливается равновесие. В положении равновесия заполнитель 8 находится при температуре фазового перехода в частично жидком, частично твердом состоянии. Соответственно, температура выравнивающей пластины фиксируется на том же уровне.

На фиг. 3 представлено сравнение режимов работы известного биметаллического устройства защиты и заявляемого защитного устройства. Линия 1 отражает зависимость усилия F, развиваемого биметаллической пластиной, от температуры, линия 2 - то же для термосилового элемента с твердым углеводородным наполнителем. В области фазового перехода кривая 2 обладает большой (теоретически стремящейся к бесконечности) крутизной. Область между пунктирными линиями условно обозначает область нестабильности усилия, требуемого для разведения пластин. Нестабильность связана с ориентацией устройства относительно вертикали, а также с расположением и изгибами соединительных проводов, шлангов, тепловых труб и т.п. Из рисунка видно, что для термосилового привода зона температур срабатывания оказывается значительно уже, чем для биметаллического привода, и что сила сопротивления разведению практически не имеет значения. Тем самым подтверждается наличие заявленного технического результата.

Устройство было реализовано и испытано с использованием полиэтилена высокой плотности в качестве заполнителя. При нагреве пластины 2, контактирующей с источником тепла, температура пластины 3 и капсулы 7 повышается до момента начала плавления полиэтилена. С момента расплавления происходит кратковременный выбег температуры на 10-15 градусов выше среднего уровня, после чего температура снижается до равновесного значения 142°С с флуктуациями плюс минус 1 градус.

Надежность предлагаемого устройства подтверждается практикой применения аналогичных термосиловых приводов в системах охлаждения автомобильных двигателей, эксплуатируемых на протяжении ряда лет.

Изобретение относится к термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Пельтье, и может использоваться при получении электроэнергии в автономных условиях. Технический результат заключается в повышении стабильности температуры срабатывания и увеличении развиваемого усилия. Устройство защиты термоэлектрогенератора от перегрева содержит термомеханическое исполнительное устройство, разделяющее нагреваемую пластину, контактирующую с источником тепла, и тепловыравнивающую пластину с присоединенной к ней батареей термоэлектрических модулей. Термомеханическое исполнительное устройство выполнено в виде установленной на тепловыравнивающей пластине капсулы с твердым углеводородным заполнителем, снабженной проходящим через сальник выдвижным штоком, упираемым в нагреваемую пластину. Устройство также снабжено возвратной пружиной, установленной с возможностью сведения двух указанных пластин. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство защиты термоэлектрогенератора от перегрева, содержащее термомеханическое исполнительное устройство, разделяющее нагреваемую пластину, контактирующую с источником тепла, и тепловыравнивающую пластину с присоединенной к ней батареей термоэлектрических модулей, отличающееся тем, что термомеханическое исполнительное устройство представлено термосиловым элементом в виде установленной на тепловыравнивающей пластине капсулы с твердым углеводородным заполнителем, снабженной проходящим через сальник выдвижным штоком, упираемым в нагреваемую пластину, а также возвратной пружиной, установленной с возможностью сведения двух указанных пластин.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве углеводородного заполнителя капсулы выбирают материал из ряда озокерит – полиэтилен - полипропилен-АБС - поликарбонат.