Термоэлектрический блок питания

Изобретение относится к термоэлектрогенераторному оборудованию и предназначено для питания радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телемеханики газопроводов. Сущность: термоэлектрический блок питания содержит расположенные в контейнере термоэлектрические генераторы, воздуховод, блок управления и систему вентиляции. Термоэлектрический генератор содержит горелочное устройство, теплоприемник, к наружной поверхности которого прижаты шесть термоэлектрических батарей, и воздушные радиаторы. Система вентиляции содержит термочувствительные элементы, жестко закрепленные на контейнере, заслонки подачи воздуха из радиатора и заслонки притока наружного воздуха, расположенные в верхней части контейнера. Термочувствительный элемент представляет собой цилиндрическую полость, заполненную маслом, со штоком, расположенным по оси цилиндрической полости и соединенным системой рычагов с заслонками. Система рычагов выполнена в виде кронштейнов и тяги. Контейнер имеет термоизолированные стенки. Технический результат: повышение надежности работы и срока службы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к технологическому термоэлектрогенераторному оборудованию и предназначено для питания постоянным электрическим током комплекса радиоэлектронной аппаратуры и средств автоматики и телемеханики газопроводов в непрерывном режиме функционирования.

Известен блок электропитания, работа которого основана на явлении термоЭДС «Зеебека» (явление, обратное эффекту Пельтье) [Физический энциклопедический словарь, М., Советская энциклопедия, 1983 г., с.756]. Источник питания содержит термоэлементы, соединенные с потребителем электроэнергии. ТермоЭДС возникает в электрической цепи, состоящей из нескольких разнородных проводников, контакты между которыми имеют различную температуру.

Недостатком данного источника питания является низкий ресурс работы и ограниченная мощность.

Известен также блок электропитания на основе термоэлектрического генератора [а.с. №439252 МКИ H01L 35/02 F28F 9/24], содержащий термоэлектрический модуль, горелочное устройство и систему термосброса в виде радиаторов и рубашки охлаждения, внутри которой установлен турбулизатор в виде проволочной спирали.

Данное устройство имеет более высокий КПД за счет уменьшения потерь температурного напора между холодными спаями термобатарей и охлаждающей жидкостью, однако имеет невысокий ресурс работы.

Наиболее близким техническим решением является термоэлектрический блок питания, работающий на природном газе [А.Н.Крошко Автономные энергоустановки на газопроводах, М., «Недра», 1983 г., стр.41-52, 68-74].

Данное устройство состоит из металлического контейнера с отсеками для установки термоэлектрических генераторов. Термоэлектрический генератор содержит термоэлектрические батареи, соединенные через теплоприемник с газовой горелкой, воздушные радиаторы, воздуховод и блок управления. В боковых стенках контейнера сделаны прямоугольные отверстия, защищенные сеткой и козырьками для притока воздуха, необходимого для работы термоэлектрических генераторов и вентиляции.

Данный блок электропитания обеспечивает мощность 150-1000 Вт в зависимости от числа установленных термоэлектрических генераторов. Однако при работе в широком диапазоне температур от -50°С до +50°С надежность работы снижается за счет нестабильности температурного режима.

Задачей создания изобретения является повышение надежности работы и срока службы блока питания за счет оптимизации температурного режима, особенно в условиях низких температур.

Решение указанной задачи достигнуто за счет того, что термоэлектрический блок питания содержит расположенные в отсеках контейнера термоэлектрические генераторы, которые состоят из термоэлектрических батарей, соединенных с воздушными радиаторами и через теплоприемник с горелочным устройством, а также воздуховод, блок управления и систему вентиляции, которая выполнена по системе термостатирования. Система термостатирования состоит из термочувствительных элементов, жестко закрепленных на перегородках отсеков контейнера, а также заслонок подачи теплого воздуха от радиаторов и заслонок притока наружного воздуха, расположенных в верхней части контейнера. Термочувствительные элементы соединены системой рычагов с заслонками и представляют собой цилиндрическую полость, заполненную маслом, со штоком, расположенным по оси цилиндрической полости. Кроме того, система рычагов, соединяющая шток термочувствительного элемента с заслонками, выполнена в виде кронштейнов и тяги, соединенных между собой с возможностью перемещения. Контейнер имеет термоизолированные стенки.

Изобретение поясняется чертежами фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 представлен общий вид термоэлектрического блока питания, на фиг.2 представлен общий вид термоэлектрического генератора, на фиг.3 представлена система термостатирования.

Термоэлектрический блок питания (фиг.1) состоит из цельнометаллического термостатированного контейнера 1, в отсеках которого расположены термоэлектрические генераторы 2. Термостатированный контейнер предназначен для защиты всего оборудования от атмосферных явлений и оснащен системой запоров и замков. Стенки контейнера изготовлены из стальных листов, между которыми проложен термоизолирующий материал. Термоэлектрические генераторы 2 (ТЭГ) размещены в специальных шкафах 3, стенки которых образуют вытяжные трубы с дефлекторами 4 для отвода воздуха. Основными элементами ТЭГ являются (фиг.2) горелочное устройство 5, теплоприемник 6, к наружной поверхности которого прижаты шесть термоэлектрических батарей 7, и мощные воздушные радиаторы 8, обеспечивающие необходимый перепад температуры на термоэлектрических батареях. Корпус горелочного устройства 5 соединен с теплоприемником 6. Теплоприемник 6 имеет форму полой шестигранной призмы, внутри которой установлен цилиндрический излучатель 9, изготовленный из жаропрочной стали. Внутренняя полость излучателя 9 образует топочное пространство. К наружной поверхности призмы теплоприемника 6 прижаты термоэлектрические батареи 7, состоящие из ряда последовательно соединенных групп полупроводниковых термоэлементов, заключенных в герметичный кожух, заполненный инертным газом. Воздушные радиаторы 8, предназначенные для отвода тепла от спаев термоэлектрических батарей 7, прижаты к ним плоскими пружинами. К горелочному устройству 5 подсоединен воздуховод 10, по которому поступает наружный воздух для горения. Каждый термоэлектрический генератор 2 размещен на каркасе-раме 11, состоящей из верхнего и нижнего кольца, соединенных вертикальными стойками. Теплоприемник 6, термоэлектрические батареи 7 и радиаторы 8, соединенные пружинами, удерживаются в фиксированном положении относительно рамы 11. В состав термоэлектрических генераторов 2 входят шесть термоэлектрических батарей, соединенных последовательно в электрическую цепь, которая подключена к блоку управления 12, закрепленному на каркасе-раме 11. На крыше контейнера 1 расположен дефлектор 4 для отвода нагретого в радиаторах воздуха.

В верхней части контейнера 1 расположена система вентиляции, выполненная по системе термостатирования, которая поддерживает в контейнере определенную плюсовую температуру t_к при изменении температуры наружного воздуха t_н от -50°С до +50°С.

Система термостатирования (фиг.1, 3) выполнена в виде термочувствительного элемента 13, жестко закрепленного на перегородке отсека контейнера 1, а также заслонок подачи воздуха из радиатора 14 и заслонок притока наружного воздуха 15, расположенных в верхней части контейнера 1. Термочувствительный элемент 13 представляет собой герметично закрытую цилиндрическую полость, заполненную маслом. В качестве термочувствительного элемента используют, например, термодатчик РТ-1, внутренняя полость которого заполнена маслом И-5А в объеме 0,4 л с удельным весом 0,865 г/см³ без воздушной пробки. Перед заливкой масло обезвоживают и вакуумируют для удаления воздушных пузырьков. По оси термодатчика расположен шток 16 с пружиной, образующие пружинный механизм возврата. Свободный конец штока 16 соединен системой рычагов с заслонками 14, 15. Система рычагов состоит из кронштейнов 17, имеющих шарнирно-рычажное соединение с тягой 18, штоком 16 и заслонками 14, 15.

Устройство работает следующим образом.

Термоэлектрические генераторы 2 преобразуют тепловую энергию в электрическую в полупроводниковых термоэлементах, входящих в состав термоэлектрических батарей 7. Газ, смешанный с воздухом из воздуховода 10, подают в горелочное устройство 5. Запуск термоэлектрического генератора 2 осуществляют поджогом газо-воздушной смеси. Горение газо-воздушной смеси происходит внутри излучателя 9 до полного сгорания газа. Излучатель 9 разогревают до температуры t˜1000°С, а продукты сгорания через отверстия в излучателе поступают в теплоприемник 6, который нагревается до температуры t=500-520°С и нагревает одну из сторон термоэлектрической батареи 7. С другой стороны термоэлектрической батареи 7 тепло сбрасывается воздушным радиатором 8, в щелях которого циркулирует воздух за счет естественной конвекции, обеспечивая на этой стороне батареи t=100°С. При прохождении теплового потока через термоэлементы, обладающие тепловым сопротивлением, образуется необходимый перепад температур и разность потенциалов в последовательно соединенных термоэлементах термоэлектрических батарей 7. При подключении к этой цепи внешней нагрузки возникает электрический ток.

Нагретый в радиаторах 8 воздух частично отводится наружу через дефлектор 4, расположенный на крыше контейнера 1. Температура в контейнере t_к может меняться за счет работы термоэлектрических генераторов 7 и изменения температуры наружного воздуха t_н. При изменении температуры наружного воздуха t_н термочувствительные элементы 13 в виде термодатчиков изменяют положение заслонок подачи воздуха из радиаторов 14 и заслонок притока наружного воздуха 15. Заслонки регулируют приток наружного воздуха, поступающего в контейнер 1, и удаляемого воздуха, подогретого в радиаторах 8.

При повышении температуры в контейнере t_к масло в цилиндре термодатчика 13 расширяется и поднимает шток 16 вверх. За счет этого тяга 18, присоединенная к штоку 16 через кронштейны 17, перемещает заслонки 14, 15. Заслонка подачи воздуха от радиатора 14 закрывается, а заслонка притока наружного воздуха 15 открывается. При понижении температуры в контейнере t_к шток 16 опускается вниз за счет сжатия масла в термодатчике 13 и изменяет положение заслонок. Существует два крайних положения заслонок.

При t_н=-50°С заслонки притока воздуха 15 закрыты, а заслонки подачи воздуха от радиаторов 14 в контейнер открыты полностью. В этом случае весь нагретый в радиаторах 8 воздух поступает в контейнер 1 и, охлаждаясь, вновь поступает в щели радиаторов 8. При этом после выхода термоэлектрического генератора 2 в нормальный режим работы в районе расположения термодатчиков 13 обеспечивается t_к=20°С.

При повышении общего уровня температуры воздуха в контейнере t_к заслонки притока наружного воздуха 15 начинают открываться, а заслонки притока воздуха от радиаторов 14 закрываться. При t_к=25-30°С заслонки притока наружного воздуха 15 полностью открыты, а заслонки подачи воздуха от радиаторов 14 закрыты, и весь подогретый воздух поступает через дефлектор 4 наружу.

Для промежуточных значений температуры наружного воздуха термодатчик 13 обеспечивает такое положение заслонок, чтобы температура в контейнере поддерживалась t_к≈20°С. За счет этого повышается надежность работы термоэлектрического генератора и увеличивается срок службы термоэлектрического блока питания.

1. Термоэлектрический блок питания, содержащий расположенные в контейнере термоэлектрические генераторы, которые состоят из термоэлектрических батарей, соединенных с воздушными радиаторами и через теплоприемник с горелочным устройством, а также воздуховод, блок управления и систему вентиляции, отличающийся тем, что система вентиляции выполнена в виде термочувствительных элементов, жестко закрепленных на контейнере, заслонок подачи воздуха из радиаторов и заслонок притока наружного воздуха, расположенных в верхней части контейнера, при этом термочувствительные элементы представляют собой цилиндрическую полость, заполненную маслом, со штоком, расположенным по оси цилиндрической полости, и соединены системой рычагов с заслонками.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система рычагов, соединяющая шток термочувствительного элемента с заслонками, выполнена в виде кронштейнов и тяги, соединенных между собой с возможностью перемещения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контейнер выполнен с термоизолированными стенками.