Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию

Устройство предназначено для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Устройство содержит генератор электрической энергии и нагреваемые элементы, выполненные из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри и являющиеся составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня с воздушными промежутками, снабженными теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя. Нагреваемые элементы сочленены планкой-коромыслом на шарнире, расположенном на среднем стержне, причем при перемене положения планки один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем. Средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор имеет обмотки, расположенные на боковых стержнях. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, повышение КПД и надежности. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к электрическим машинам, в которых производится прямое преобразование тепловых эффектов в другой вид энергии.

Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье (см., например, патент РФ №2298278, МПК Н02В 10/00 «Электрический двигатель», опубл. 27.04.97. в БИ №12).

Недостаток известного устройства заключается в том, что для его осуществления используется сложная система преобразования с большим числом механических элементов, что приводит к низкой его надежности.

Известно также устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье, в котором электрическая энергия сначала преобразуется в тепловую с последующим переводом тепловой энергии в механическую (см., например, патент РФ №2302072, МПК Н02В 10/00 «Электрический привод (варианты)», опубл. 27.06.93. в БИ №18).

Известное устройство преобразования характеризуется несколько более простой кинематической схемой и имеет более высокую надежность.

Однако известному устройству свойственны недостатки, которые заключаются в двойном преобразовании энергии, что понижает КПД системы в целом. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена возможность преобразования тепловой энергии в электрическую.

Задачей изобретения является создание устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев.

Дополнительно решается задача по повышению КПД преобразования.

Указанная задача решается за счет того, что в устройстве для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащем нагреваемые элементы и генератор электрической энергии, согласно изобретению нагреваемые элементы выполнены из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода и теряющего свои магнитные свойства при нагревании, указанные нагревательные элементы являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня, боковые стержни выполнены в виде двух элементов, разделенных между собой воздушными промежутками, расположенными симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню и примыкающими к нему, нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире, расположенном на оси симметрии на краю среднего стержня так, что при переходе планки из одного положения в другое один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стрежня, воздушные промежутки снабжены теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем, причем средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор электрической энергии выполнен в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях.

В варианте технического решения края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа, а нагреваемые элементы перемыкают ту или иную пару выступов.

В варианте технического решения жесткая планка выполнена из материала, обладающего пружинящими свойствами.

Наличие нагреваемых элементов, состоящих из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, в которых материал теряет свои магнитные свойства, и являющихся составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержней, в которых боковые стержни имеют воздушные промежутки, расположенные симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню, а нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире так, что при переходе планки из одного положения в другое, поочередно, один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стержня, позволяет формировать генератор, преобразующий тепловую энергию в электрическую.

Применение теплопровода, подводящего тепло от нагревателя, к нагреваемым элементам, когда они примыкают к воздушным промежуткам боковых стержней и наличие охладителя, воздействующего на нагревательные элементы, когда они находятся вне зоны воздушных промежутков, позволяет повысить производительность устройства за счет интенсификации процессов нагрева и охлаждения.

Наличие обмотки возбуждения, расположенной на среднем стержне и выполнение генератора электрической энергии в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях, позволяет вырабатывать электрическую энергию без использования вращающихся частей и при минимальном количестве подвижных элементов.

Параллельные выступы, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев всей магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.

Выполнение жесткой планки, соединяющей нагревательные элементы, из материала, обладающего пружинящими свойствами, дает возможность снизить пульсации тока в намагничивающей обмотке, расположенной на среднем стержне.

Изобретение иллюстрируется 4 чертежами.

На фиг.1 представлена принципиальная конструкция устройства.

На фиг.2 показан фрагмент конструкции с теплопроводом, подводящим тепло к подвижному элементу, примыкающему к зазорам снизу.

На фиг.3 изображен фрагмент конструкции с боковыми выступами, расположенными в области зазоров с нагреваемыми элементами.

На фиг.4 нарисована часть конструкции, вид со стороны подвижных нагреваемых элементов.

Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию выполнено следующим образом. Нагреваемые элементы 1, 2 (фиг.1) состоят из магнитно-мягкого материала, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, в которых материал теряет свои магнитные свойства, с пониженной точкой Кюри. При этом они и являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых стрежней 3, 4 и среднего стержня 5. Средний стержень 5 снабжен обмоткой возбуждения 6, питаемой от источника постоянного тока (не показан). В свою очередь боковые стержни снабжены генерирующими обмотками соответственно 7 и 8, на выходе которых установлены выпрямители (не обозначены). В боковом стержне 3, в области, примыкающей к среднему стержню 5, выполнен воздушный промежуток 9. В то же время в боковом стрежне 4, в области, примыкающей к среднему стержню, выполнен воздушный промежуток 10. В свою очередь нагреваемые элементы 1 и 2 сочленены между собой жесткой планкой 11, выполненной в виде коромысла. Средняя точка планки установлена на выступающем шарнире 12, основание которого расположено по оси симметрии магнитной цепи и приходится на нижнюю часть среднего стержня 5 между воздушными промежутками 9 и 10. Края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа соответственно 13 и 14, а нагреваемые элементы 1 и 2 перемыкают ту или иную пару выступов. В нижней части устройства расположен охладитель 15, установленный таким образом, что когда один из нагревательных элементов находится вне пределов воздушного промежутка, этот элемент входит в соприкосновение с охладителем. Области промежутков снабжены теплопроводом 16 (фиг.2), подводящим тепло от нагревателя 16'.

Выступы 13 (14) могут располагаться с боковой стороны по отношению к боковым стержням 3 (4) (фиг.3).

Дополнительное представление о расположении нагревательных элементов по отношению к боковым стрежням дает фиг.4, на которой имеется вид со стороны подвижных нагреваемых элементов 1 и 2.

Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию действует следующим образом. При подаче питания на обмотку возбуждения 6 в магнитопроводе возникает магнитный поток, который распространяется по боковым стержням 3 и 4. Один из подвижных элементов, находящийся ближе к своему зазору, притянется к боковому стержню, замкнув при этом соответствующий зазор. Допустим это, как показано на фиг.1, подвижный элемент 1 замыкает зазор 9. При этом подвижный элемент 2 остается в зоне действия намагничивающей силы, создаваемой боковым стержнем 4. Одновременно элемент 2 будет соприкасаться с охладителем 15. Магнитный поток в боковом стержне 3 возрастает, а элемент 1 попадает в зону действия теплопровода 16, подводящего тепло от нагревателя 16'. Нагреваемый элемент 1 подвергается нагреву от нагревателя до температуры, при которой он теряет свои магнитные свойства, и к зазору 10 притянется подвижный элемент 2, замыкая при этом магнитную цепь бокового стержня 4. Магнитное поле в боковом стержне 4 возрастает, а в боковом стержне 3 наоборот падает. Теперь в зоне нагрева находится элемент 2, а в зоне охлаждения элемент 1. В результате происходит потеря магнитных свойств в элементе 2 и восстановление этих свойств в элементе 1. Далее процесс повторяется. В результате в боковых стержнях поочередно будет периодически увеличиваться или уменьшаться магнитный поток и по закону электромагнитной индукции, определяемой формулой

е=- w×dФ/dt,

где w - число витков обмотки 7 или 8, dФ/dt - изменение магнитного потока. Полученная таким образом эдс выпрямляется в выпрямителях и используется как источник электрической энергии. Ток от выпрямителей может подводиться к обмотке возбуждения 6, формируя, таким образом, систему самовозбуждения.

Параллельные выступы 13, 14, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.

Выполнение жесткой планки 11, соединяющей нагревательные элементы, из материала с пружинящими свойствами дает возможность снизить пульсации тока в обмотке 6, расположенной на среднем стержне 5.

Как видно из описания, предлагаемое устройство прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию функционирует при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев в автоматическом режиме и генерируемая мощность будет зависеть только от скорости подачи тепла и охлаждения, что способствует высокому КПД системы и высокой ее надежности.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в устройствах, в которых происходят циклические процессы с нагревом и охлаждением.

1. Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащее нагреваемые элементы и генератор электрической энергии, отличающееся тем, что нагреваемые элементы выполнены из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода и теряющего свои магнитные свойства при нагревании, указанные нагревательные элементы являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня, боковые стержни выполнены в виде двух элементов, разделенных между собой воздушными промежутками, расположенными симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню и примыкающими к нему, нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире, расположенном на оси симметрии на краю среднего стержня так, что при переходе планки из одного положения в другое один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стрежня, воздушные промежутки снабжены теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем, причем средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор электрической энергии выполнен в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях.

2. Устройство для преобразования тепловой энергии по п.1, отличающееся тем, что края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа, а нагреваемые элементы перемыкают ту или иную пару выступов.

3. Устройство для преобразования тепловой энергии по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что жесткая планка выполнена из пружинящего материала.