Термоэлектрический генератор

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Сущность: генератор содержит теплоприемник, выполненный в виде монолитной теплообменной пластины переменного сечения. К теплоприемнику с помощью прижимного блока крепятся термоэлектрические батареи и радиаторы, установленные симметрично по рабочим сторонам теплоприемника. Прижимной блок выполнен в виде изогнутой шпильки, имеющей резьбу с обеих сторон, которая проходит через сквозные отверстия в основании радиаторов и в теплообменной пластине. Основание теплообменной пластины снабжено полуцилиндром, установленным так, что его продольная ось перпендикулярна вертикальной оси симметрии теплообменной пластины. Сквозное отверстие в теплообменной пластине под стяжную шпильку имеет прямоугольное сечение. Шпилька выполнена из материала с коэффициентом термического расширения меньшим, чем стягиваемые элементы конструкции генератора. Пластичный теплопереход между теплообменной пластиной и термобатареей выполнен в виде свинцовой фольги, плакированной оловом с двух сторон. 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно к конструкции термоэлектрического генератора, работающего за счет утилизации тепла солнечных водяных коллекторов, геотермальных источников, водной поверхности водоемов, рек, озер, морей и отдельных бытовых трубопроводов и емкостей с горячей водой и другими теплоносителями, и служащего для электропитания средств связи, устройств оповещения и сигнализации, счетчиков расхода горячей воды.

Известен термоэлектрический генератор (ТЭГ), содержащий теплоприемник, к которому с помощью прижимного устройства прикреплены термоэлектрическая батарея и радиатор. Патент США №4499329 от 12.02.85, кл. H01L 35/28. Однако известное устройство имеет недостаток, который заключается в том, что оно обладает низкой эффективностью, обусловленной несовершенством конструктивной схемы, большими термическими сопротивлениями в тепловых контактах на пути теплового потока.

Наиболее близким по технической сущности к данному предложению является термоэлектрический генератор, содержащий теплоприемник, к которому с помощью прижимного блока прикреплены термоэлектрическая батарея и радиатор. Патент РФ на изобретение №2172448, кл. H01L 35/28. Однако и это известное устройство, несмотря на улучшенную схему отбора тепла с помощью тепловой трубы, обладает недостаточной эффективностью из-за значительных термических сопротивлений, возникающих на пути теплового потока к термоэлектрическим батареям, что ведет к снижению удельных энергетических характеристик термоэлектрического генератора.

Для устранения указанных недостатков предлагается термоэлектрический генератор, содержащий теплоприемник, на котором установлены с помощью прижимного блока термоэлектрические батареи и радиаторы. Теплоприемник выполнен в виде монолитной теплообменной пластины переменного сечения, по сторонам которого симметрично установлены термоэлектрические батареи с радиаторами. Прижимной блок выполнен в виде изогнутой шпильки, снабженной с двух сторон резьбой и проходящей через сквозные соосные отверстия в основании каждого из радиаторов и в теплообменной пластине, основание которой снабжено полуцилиндром, установленным так, что его продольная ось перпендикулярна вертикальной оси симметрии теплообменной пластины. Сквозное отверстие под стяжную шпильку имеет прямоугольное сечение, меньшая сторона которого равна диаметру стяжной шпильки и расположена параллельно основанию теплообменной пластины, а большая сторона отверстия соответствует радиусу кривизны стяжной шпильки, которая выполнена из материала с меньшим коэффициентом термического расширения, чем стягиваемые элементы конструкции генератора, например молибдена, кобальта, ковара. Теплообменная монолитная пластина выполнена из материала с высокой теплопроводностью, например меди, алюминия, серебра, никеля и сплавов на их основе. Пластичный теплопереход изготовлен в виде свинцовой фольги, плакированной оловом с двух сторон.

Предложенное устройство поясняется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид термогенератора, где 1 - теплообменная монолитная пластина, 2 - термоэлектрическая батарея, 3 - основание радиатора, 4 - пластичный теплопереход по горячей стороне термоэлектрической батареи, 5 - теплопереход между термобатареей и основанием радиатора, 6 - пластина охлаждения радиатора, 7 - изогнутая стяжная шпилька с резьбой, 8 - гайка, 9 - тарельчатая пружина, 10 - сварной шов, 11 - полуцилиндр с крепежными лапками. На фиг.2 показана установка термогенератора на трубопровод круглого сечения с горячей водой, где 12 - трубопровод. На фиг.3 показан пример установки термогенератора на емкости с горячей водой, где 13 - крепежный элемент-фланец, 14 - болт, 15 - крышка сосуда. На фиг.4 приведено отверстие (16) прямоугольного сечения под стяжную шпильку.

При работе термогенератора тепло передается по теплоприемнику, выполненному в виде монолитной теплообменной пластины (1) переменного сечения, и поступает к термобатареям (2), и далее передается на основание (3) воздушного радиатора. По обе стороны от термобатареи (2) расположены теплопереходы, по горячей стороне - это свинцовая фольга (4), плакированная оловом. Такой переход из пластичного материала, каким является свинец, обеспечивает его низкое термическое сопротивление, позволяет с максимальной эффективностью подвести тепло к термоэлектрическому преобразователю (2) и получить электрическую энергию с максимально возможным коэффициентом преобразования для данной тепловой задачи. Покрытие (плакирование) свинцовой фольги (4) толщиной 100-200 мк тонким слоем олова (несколько микрон) также направлено на повышение эффективности генератора, т.к. исключает образование на свинце окисной пленки, которая обладает гораздо большим термическим сопротивлением, чем свинец, и не разрушается под воздействием используемых температур (˜100°С) и усилия одностороннего сжатия (3÷4 кг/см²). В качестве теплоперехода по холодной стороне (5) между термобатареей (2) и основанием (3) воздушного радиатора используется либо симметричный вариант, т.е. свинцовая фольга с оловом (4), либо глицерин, который в виде тонкого слоя капиллярными силами удерживается между шлифованными поверхностями основания радиатора (3) и холодной стороной термобатареи (2). Профилирование теплообменной пластины (1) по высоте в виде трапеции, обращенной меньшей стороной к основанию, обеспечивает равномерность теплового поля по высоте и, следовательно, эффективную работу термобатареи (2) по всей своей площади и создание одинакового температурного градиента на всех термоэлементах, из которых состоит термобатарея. Измерения показали, что неоднородность температурного поля по высоте теплоприемника (1) не превышает 1÷2°С. Параметры ребер охлаждения (6) радиатора определяются путем известного решения тепловой задачи с учетом числа используемых термобатарей и величины отводимого теплового потока. Выполнение прижимного блока устройства в виде изогнутой шпильки (7), снабженной с двух сторон резьбой, на которую накручиваются гайки (8) и расположены тарельчатые пружины (9), обеспечивает стабильность электрической мощности генератора в течение всего срока службы. Используемые в термогенераторе материалы с высокой теплопроводностью, например алюминий, обладают низким сопротивлением длительной деформации под влиянием развиваемого в конструкции генератора усилия одностороннего сжатия термобатареи (2). Тарельчатые пружины работают эффективно только при деформации, обусловленной неустановившейся ползучестью элементов конструкции (см. фиг.1 поз.1, 3, 4, 5), а затем в течение остального времени стабильность работы генератора обеспечивается изогнутой шпилькой (7), которая на участке установившейся ползучести материалов конструкции генератора поддерживает постоянными усилие одностороннего сжатия и термическое сопротивление прижимных тепловых контактов на теплопереходах (4, 5). Это обеспечивает поддержание мощности генератора на заданном уровне в течение всего срока службы (10÷15 лет). К основанию пластины (1) с помощью сварки (10) крепится полуцилиндр (11) так, что его продольная ось перпендикулярна вертикальной оси симметрии монолитной пластины (1). С помощью такой конструкции происходит эффективный отбор тепла как при креплении генератора на трубе (12) с горячей водой (см. фиг.2), так и при установке его с помощью крепежных элементов (13, 14) на крышке (15) емкости с горячей водой. Выполнение прорези (отверстия) (16) в монолитной пластине (1) прямоугольного сечения (фиг.4) обеспечивает стабильное качество термогенераторов при производственной сборке. Выполнение шпильки (7) из материалов с низким коэффициентом термического расширения повышает стабильность работы генератора при большом сроке службы и при большом количестве термоциклов.

Энергетические характеристики генератора предложенной конструкции были определены экспериментально. На фиг.5 представлена зависимость термоЭДС (Е) и температурного градиента (ΔT) от температуры теплообменной пластины, тепло к которой передается от трубы с горячей водой системы отопления. Испытывался генератор с двумя серийно выпускаемыми термобатареями размером 40×40 мм и высотой 3,7 мм с электрической изоляцией в виде пластин из окиси алюминия. Как видно из графика, напряжение холостого хода (Е) такого генератора превышает 8 В, а электрическая мощность, отдаваемая в нагрузку, превышает 1 Вт (см. фиг.6) при температуре воды 92°С. Полученные значения напряжения и мощности вполне достаточны для использования этого генератора в качестве источника электропитания для счетчиков горячей воды и других устройств автоматического контроля тепловых сетей. На фиг.6 приведены зависимости максимальной мощности генератора (W) от сопротивления нагрузки (R_н). При необходимости количество термобатарей может быть увеличено, например, до четырех, тогда напряжение и мощность генератора удвоятся до 16 В и 2 Вт, соответственно.

Дополнительно следует отметить, что конструкция генератора состоит из серийно выпускаемых деталей, кроме теплообменной пластины и шпильки, что упрощает задачу его изготовления в промышленном масштабе.

1. Термоэлектрический генератор, содержащий теплоприемник, к которому с помощью прижимного блока крепятся термоэлектрические батареи и радиаторы, отличающийся тем, что теплоприемник выполнен в виде монолитной теплообменной пластины переменного сечения, по обе стороны которой симметрично установлены термоэлектрические батареи с радиаторами, а прижимной блок выполнен в виде изогнутой шпильки, снабженной с двух сторон резьбой и проходящей через расположенные соосно сквозные отверстия в основании каждого из радиаторов и теплообменной пластины, основание которой снабжено полуцилиндром, установленным так, что его продольная ось перпендикулярна вертикальной оси симметрии монолитной пластины, причем в зазор между термобатареей и пластиной введен пластичный теплопереход.

2. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что монолитная теплообменная пластина в месте крепления к ней термоэлектрических батарей выполнена в виде трапеции, обращенной меньшей стороной к основанию теплообменной пластины.

3. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что сквозное отверстие в монолитной пластине под стяжную шпильку выполнено прямоугольного сечения, меньшая сторона которого равна диаметру стяжной шпильки и расположена параллельно основанию теплообменной пластины, а большая сторона отверстия соответствует радиусу кривизны стяжной шпильки.

4. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что стяжная шпилька выполнена из материала с меньшим коэффициентом термического расширения, чем стягиваемые элементы конструкции, например молибдена, кобальта, ковара.

5. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что теплообменная монолитная пластина выполнена из материала с высокой теплопроводностью, например меди, алюминия, серебра, никеля и сплавов на их основе.

6. Термоэлектрический генератор по п.1, отличающийся тем, что пластичный теплопереход изготовлен в виде свинцовой фольги, плакированной оловом с двух сторон.