Термоэлектрический генератор с защитой от перегрева Российский патент 2024 года по МПК H05B1/00 H10N10/10 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электростанциям, работающим на основе преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, и может быть использовано для выработки электрической энергии в местах, удалённых от стационарных сетей электроснабжения.

Известен термоэлектрический бытовой генератор [RU №2348089 C1, опубл. 27.02.2009]. Он содержит батарею термоэлектрических генераторных элементов, функционирование которых основано на эффекте Зеебека. Термоэлектрические генерирующие элементы закреплены первыми сторонами на тепловыравнивающей пластине, которая при помощи биметаллических защелок подвешена на опорной нагреваемой пластине, закрепляемой на стенке печи. Вторые стороны термоэлектрических генерирующие элементы прикреплены к стенке наполняемого водой теплообменника. Охлаждение вторых сторон термоэлектрических генерирующих элементов осуществляется за счёт циркуляции воды через теплообменник. При достижении максимально допустимого значения температуры тепловыравнивающей пластины биметаллические защелки скачкообразно отводят тепловыравнивающую пластину от опорной пластины, что создаёт воздушный зазор между тепловыравнивающей и опорной пластинами, снижая тем самым передачу тепловой энергии от опорной пластины к тепловыравнивающей. Это обеспечивает защиту термоэлектрических генерирующих элементов от перегрева. При снижении температуры тепловыравнивающей пластины ниже предельно допустимого значения на некоторую величину, биметаллические защелки скачкообразно подводят тепловыравнивающую пластину к опорной пластине, что повышает передачу тепловой энергии от опорной пластины к тепловыравнивающей.

Недостатком известного аналога является пониженная выработка электрической энергии вследствие скачкообразного действия биметаллических защёлок, приводящего к периодическому снижению температуры тепловыравнивающей пластины и первых сторон термоэлектрических генерирующих элементов. Отсутствие возможности плавной регулировки зазора между тепловыравнивающей и опорной пластинами и длительного поддержания температуры тепловыравнивающей пластины, а, соответственно, и первых сторон термоэлектрических генерирующих элементов на максимально допустимом уровне, приводит к снижению уровня генерируемой электроэнергии относительно максимально возможного значения.

Наиболее близким к изобретению техническим решением, принятым в качестве прототипа, является отопительное устройство с термоэлектрическим генератором и термоэлектрический генератор [RU №95183 U1, опубл. 10.06.2010]. Устройство содержит нагреваемую, охлаждаемую и тепловыравнивающую пластины, один или несколько термоэлектрических генерирующих элементов, две или более биметаллических пластин, шарнир с горизонтальной осью вращения. Термоэлектрические генерирующие элементы закреплены между охлаждаемой и тепловыравнивающей пластинами. Шарнир с горизонтальной осью вращения прикреплён к верхним сторонам нагреваемой и тепловыравнивающей пластин и позволяет отклоняться пластинам на некоторый угол относительно друг друга. В нижней части тепловыравнивающей пластины выполнены пазы, число которых соответствует числу биметаллических пластин. Каждая из биметаллических пластин одной стороной прикреплена к внутренней стороне паза, а второй стороной касается нагреваемой пластины.

Работает устройство следующим образом. Нагреваемая пластина прикрепляется к источнику тепловой энергии, а к охлаждаемой пластине прикрепляется теплоотводящее устройство. Причём требуется пространственная ориентация устройства таким образом, чтобы ось шарнира занимала горизонтальное или близкое к нему положение, а плоскость нагреваемой пластины занимала вертикальное положение или близкое к нему положение. Необходимость пространственной ориентация устройства вызвана тем, что взаимное прилегание плоскостей нагреваемой и тепловыравнивающей пластин, необходимое для передачи тепловой энергии обеспечивается за счёт силы Земного притяжения, прижимающей тепловыравнивающую пластину к нагреваемой. Такое прижатие пластин невозможно при иных ориентациях оси шарнира и плоскости нагреваемой пластины. Защита термоэлектрических генерирующих элементов осуществляется следующим образом. При нагреве тепловыравнивающей пластины до значения, близкого к максимально допустимому, происходит выгиб биметаллических пластин, поворот тепловыравнивающей пластины относительно нагреваемой, образование воздушного зазора между нагреваемой и тепловыравнивающей пластинами и прекращение дальнейшего роста температуры тепловыравнивающей пластины и термоэлектрических генерирующих элементов.

Недостатками прототипа является:

- необходимость точной пространственной ориентации устройства;

- неравномерный нагрев верхней и нижней частей тепловыравнивающей пластины, вызванный клинообразной формой воздушного зазора между нагреваемой и тепловыравнивающей пластинами и приводящий к повышенной вероятности выхода из строя термоэлектрических генерирующих элементов, расположенных в верхней части устройства из-за их перегрева и пониженной выработке электроэнергии термоэлектрическими генерирующими элементами, расположенными в нижней части устройства из-за их недостаточного нагрева.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение уровня генерируемой мощности и надёжности работы устройства, а также снижение требований по точности пространственной ориентации устройства.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложен термоэлектрический генератор с защитой от перегрева, содержащий нагреваемую, охлаждаемую и тепловыравнивающую пластины, один или несколько термоэлектрических генерирующих элементов, закреплённых между охлаждаемой и тепловыравнивающей пластинами, две или более биметаллических пластин, причём в тепловыравнивающей пластине, со стороны, обращённой к нагреваемой пластине, выполнены пазы, число которых равно числу применяемых биметаллических пластин. Новым является то, что в устройство дополнительно введены стержни, фиксирующие винты и опорные скобы П-образной формы, число которых соответствует числу биметаллических пластин, каждый из стержней прикреплён к биметаллической пластине в средней её части, а в средней части каждого паза выполнено отверстие под стержень, ось которого перпендикулярна плоскости поверхости тепловыравнивающей пластины, а его размер достаточен для свободного перемешения стержня, в тепловыравнивающей пластине, перпендикулярно оси каждого отверстия под стержень, изготовлены отверстия под фиксирующие винты, имеющие резьбу, соответствующую резьбе на фиксирующем винте и доходящие до краёв тепловыравнивающей пластины, по краям каждой из опорных скоб П-образной формы выполнены отверстия щелеобразной формы, размеры которых достаточны для свободного перемещения биметаллических пластин, каждый из стержней вставлен в отверстие под стержень, каждый фиксирующий винт завёрнут в отверстие под фиксирующий винт до упора в стержень, концы биметаллических пластин вставлены в отверстия щелеобразной формы опорных скоб П-образной формы, а опорные скобы П-образной формы основанием прикреплены к нагреваемой пластине.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 схематично изображен вид устройства со стороны охлаждаемой пластины. На фиг. 2 показан разрез устройства по линии А-А. На фиг. 3 показана биметаллическая пластина в сборе со стержнем и опорной скобой П-образной формы. На фиг.4 показана опорная скоба П-образной формы в двух проекциях.

Заявляемый термоэлектрический генератор с защитой от перегрева содержит (фиг. 2) термоэлектрические генерирующие элементы 1, охлаждаемую пластину 2, фиксирующие винты 3, стержни 4, тепловыравнивающую пластину 5, биметаллические пластины 6, опорные скобы П-образной формы 7, нагреваемую пластину 8.

Заявляемый термоэлектрический генератор с защитой от перегрева функционирует следующим образом.

Термоэлектрический генератор, нагреваемой пластиной 8 прикрепляется к источнику тепловой энергии, а к охлаждаемой пластине 2 прикрепляется охладитель, например радиатор, снабжённый рёбрами. При низкой температуре нагрева тепловыравнивающей пластины 5 биметаллические пластины 6 имеют малую величину прогиба и, взаимодействуя с опорными скобами П-образной формы 7 через из щелеобразные отверстия, обеспечивают прижим тепловыравнивающей пластины 5 к нагреваемую пластину 8. По мере увеличения температуры тепловыравнивающей пластины 5 происходит увеличение температуры биметаллических пластин 6, расположенных в пазах тепловыравнивающей пластины 5. При этом увеличивается прогиб биметаллических пластин 6, и они, взаимодействуя с опорными скобами П-образной формы 7 начинают отодвигать тепловыравнивающую пластину 5 от нагреваемой пластины 8, что приводит к появлению воздушного зазора между тепловыравнивающей пластиной 5 от нагреваемой пластиной 8. Смещение тепловыравнивающей пластины 5 относительно нагреваемой пластины 8 под действием силы притяжения Земли исключается за счёт упора краёв биметаллических пластин 6 в края щелевых отверстий опорных скоб П-образной формы 7.

Возможность перемещения стержней 4 в отверстиях, выполненных в тепловыравнивающей пластине 5, позволяет регулировать величину воздушного зазора между тепловыравнивающей пластиной 5 и нагреваемой пластиной 8, исключая недопустимый нагрев термоэлектрические генерирующие элементы 1 при максимально возможной температуре нагреваемой пластины 8. После регулировочных действий производится фиксация положений стержней 4 посредством фиксирующих винтов 3. Эти действия позволяют настроить устройство на такой режим работы, при котором исключается перегрев термоэлектрических генерирующих элементов 1 и обеспечивается надёжная работа устройства. Возможность перемещения стержней 4 в отверстиях, выполненных в тепловыравнивающей пластине 5, позволяет настроить устройство таким образом, что температура нагреваемых сторон термоэлектрических генерирующих элементов 1 поддерживается вблизи максимально допустимых значений, что позволяет приблизить мощность, генерируемую термоэлектрическими генерирующими элементами 1 к максимально возможной.

Возможная неравномерность зазора между тепловыравнивающей пластиной 5 и нагреваемой пластиной 8, вызванная действием гравитационной силы Земли, устраняется регулировкой положений стержней в верхней и нижней части устройства.

Технический результат заключается в повышении мощности, генерируемой термоэлектрическими генерирующими элементами устройства, исключении выхода устройства из строя по причине перегрева термоэлектрических генерирующих элементов и снижении требований к пространственной ориентации устройства.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электростанциям, работающим на основе преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, и может быть использовано для выработки электрической энергии в местах, удалённых от стационарных сетей электроснабжения. Технический результат заключается в повышении уровня генерируемой мощности и надёжности работы устройства, а также в снижении требований по точности пространственной ориентации устройства. Технический результат достигается за счёт равномерного нагрева нагреваемых сторон термоэлектрических генерирующих элементов и поддержания их температуры, близкой к максимально допустимой, за счёт равномерного увеличения расстояния между тепловыравнивающей и нагреваемой пластинами устройства. Увеличение расстояния между тепловыравнивающей и нагреваемой пластинами происходит за счёт изменения формы биметаллических пластин, расположенных в пазах тепловыравнивающей пластины. При этом биметаллические пластины совместно с опорными скобами П-образной формы задают начальное пространственное положение тепловыравнивающей пластины относительно опорной. Термоэлектрический генератор с защитой от перегрева содержит термоэлектрические генерирующие элементы (1), охлаждаемую пластину (2), фиксирующие винты (3), стержни (4), тепловыравнивающую пластину (5), биметаллические пластины (6), опорные скобы П-образной формы (7), нагреваемую пластину (8). 4 ил.

Термоэлектрический генератор с защитой от перегрева, содержащий нагреваемую, охлаждаемую и тепловыравнивающую пластины, один или несколько термоэлектрических генерирующих элементов, закреплённых между охлаждаемой и тепловыравнивающей пластинами, две или более биметаллических пластин, причём в тепловыравнивающей пластине со стороны, обращённой к нагреваемой пластине, выполнены пазы, число которых равно числу применяемых биметаллических пластин, отличающийся тем, что в него дополнительно введены стержни, фиксирующие винты и опорные скобы П-образной формы, число которых соответствует числу биметаллических пластин, каждый из стержней прикреплён к биметаллической пластине в средней её части, а в средней части каждого паза выполнено отверстие под стержень, ось которого перпендикулярна плоскости поверхости тепловыравнивающей пластины, а его размер достаточен для свободного перемешения стержня, в тепловыравнивающей пластине, перпендикулярно оси каждого отверстия под стержень, изготовлены отверстия под фиксирующие винты, имеющие резьбу, соответствующую резьбе на фиксирующем винте, и доходящие до краёв тепловыравнивающей пластины, по краям каждой из опорных скоб П-образной формы выполнены отверстия щелеобразной формы, размеры которых достаточны для свободного перемещения биметаллических пластин, каждый из стержней вставлен в отверстие под стержень, каждый фиксирующий винт завёрнут в отверстие под фиксирующий винт до упора в стержень, концы биметаллических пластин вставлены в отверстия щелеобразной формы опорных скоб П-образной формы, а опорные скобы П-образной формы основанием прикреплены к нагреваемой пластине.