Стержневой термоэлектрогенератор
ROD THERMOELECTRIC GENERATOR

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую при отсутствии источников электроснабжения.
Известен универсальный термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, изнутри армированный контурной арматурой, которая состоит из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды, устроенные таким образом, что части спаянных концов проволочных отрезков располагаются в слоях материала-диэлектрика параллельных ребер, параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса, ряды соединены между собой перемычками, крайние проволочные отрезки крайних рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов [Патент РФ №2575769, МПК Н01 L35/02, 2016].
Основными недостатками известного универсального термоэлектрического преобразователя являются высокий расход металлов М1 и М2 для изготовления термоэмиссионных элементов, определяющий значительный вес устройства, сложность их изготовления, обусловленная необходимостью заготовкой проволочных отрезков, сплющиванием и спайкой их концов, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.
Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ленточный термоэлектрогенератор, содержащий сборный корпус, состоящий из верхней крышки и днища, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами, боковых бортов, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами, расположенными напротив каждого овального паза, торцевых отбортованных крышек, при этом верхняя крышка и днище выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса в верхние и нижние гнезда боковых бортов через овальные пазы параллельно его торцам горизонтально вставлены шпильки, в зазорах между ними и поверхностью овальных пазов пропущена лента, выполненная из гибкого материала-диэлектрика, обе поверхности которой, за исключением начального и последнего участков ленты, поочередно покрыты равными отрезками полос фольги разных металлов М1 и М2 с напуском друг на друга таким образом, чтобы верхние и нижние концы каждого отрезка фольги были прижаты шпильками (стержнями) к поверхности лотков овальных пазов верхней крышки и днища, соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный преобразователь, соединенный аналогично с предыдущим и последующим термоэмиссионными преобразователями во всем корпусе, образуя термоэлектрическую секцию, начальный и последний участки ленты покрыты равными отрезками полос фольги разных металлов М1 и М2 только с внутренней стороны, их верхние концы плотно соединены с полюсными коллекторами, причем плотный контакт нижних концов полюсных коллекторов с верхними концами крайних отрезков полос фольги термоэлектрической секции, а также верхних и нижних отрезков полос фольги металлов М1 и М2 всех термоэмиссионных преобразователей осуществляется сжатием до упора боковых бортов, а также прижатием к ним торцевых отбортованных крышек [Патент РФ №2676803, МПК Н01 L35/02, 2019].
Основным недостатком известного ленточного термоэлектрогенератора является сложность изготовления фольги из металлов М1, М2 и ленты из гибкого материала-диэлектрика, обусловленная необходимостью специального оборудования для их прокатки, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности стержневого термоэлектрогенератора.
Технический результат достигается стержневым термоэлектрогенератором, содержащем сборный корпус, состоящий из верхней крышки и днища, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами, боковых бортов, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами, расположенными напротив каждого овального паза, торцевых отбортованных крышек, при этом крышка и днище выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, внутри корпуса в верхние и нижние гнезда через овальные пазы параллельно его торцам горизонтально вставлены стержни, выполненные из спаянных или сваренных между собой по все своей длине проволочных отрезков из металлов М1 и М2, в зазорах между стержнями и поверхностью овальных пазов пропущен ряд проволочных отрезков, выполненных из гибкого металла с высокой электропроводностью, которые прижаты к стержням поверхностями лотков овальных пазов крышки и днища соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный преобразователь, соединенный аналогично с предыдущим и последующим термоэмиссионным преобразователем во всем корпусе, образуя термоэлектрическую секцию, причем начальный и последний участки проволочных отрезков термоэлектрической секции соединены с полюсными коллекторами, концы которых выведены наружу через торцы бокового борта и соединены с преобразователем и аккумулятором.
На фиг. 1-7 представлен предлагаемый стержневой термоэлектрогенератор (СТЭГ): фиг. 1, 2 - общий вид и разрез СТЭГ, фиг. 3-5 - узел и разрезы компоновки термоэмиссионных преобразователей (ТЭП), фиг. 6, 7 - узел стыковки термоэмиссионных преобразователей с коллектором полюсных зарядов.
Предлагаемый СТЭГ содержит сборный корпус 1, состоящий из верхней крышки 2 и днища 3, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами 4, боковых бортов 5 и 6, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами 7, расположенными напротив каждого овального паза 4, торцевых отбортованных крышек 8 и 9, при этом крышка 2 и днище 3 выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта 5 и 6 выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, внутри корпуса 1 в верхние и нижние гнезда 7 через овальные пазы 4 параллельно его торцам горизонтально вставлены стержни 10, выполненные из спаянных или сваренных между собой по все своей длине проволочных отрезков 11 и 12 из металлов М1 и М2 (например, хромели и копели). В зазорах между стержнями 10 и поверхностью овальных пазов 4 пропущен ряд проволочных отрезков 13, выполненных из гибкого металла с высокой электропроводностью (например, меди или алюминия), которые прижаты к стержням 10 поверхностями лотков овальных пазов 4 крышки 2 и днища 3 соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) 14, соединенный аналогично с предыдущим и последующим ТЭП 14 во всем корпусе 1, образуя термоэлектрическую секцию (ТЭС) 15, причем начальный и последний участки проволочных отрезков 13 ТЭС 15 соединены с полюсными коллекторами 16 и 17, концы которых выведены наружу через торцы бокового борта 5 и соединены с преобразователем и аккумулятором (на фиг. 1-7 не показаны).
В основу работы предлагаемого СТЭГ положено следующее. Так как ТЭС 15 состоят из отдельных термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14, состоящих из стержней 10, выполненных из разных металлов М1 и М2, соединенных с парой равных проволочных отрезков из металла с высокой электропроводностью, то при нагреве (охлаждении) одних концов ТЭП 14 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им концов, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта металлов М1, М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в ТЭП 14 и ТЭС 16 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506].
Сборку СТЭГ осуществляют следующим образом. Вначале собирают корпус 1 без верхней крышки 2. После сборки корпуса 1 во все верхние гнезда 7 верхних боковых бортов 5,6 вставляют стержни 10 и пропускают через них установленное количество равных проволочных отрезков 13 из металла с высокой электропроводностью, присоединенных на торцах к полюсным коллекторам 16 и 17, которые фиксируются на торцах борта 5. При этом, проволочные отрезки 13 укладывают таким образом, чтобы они плотно прилегали к верхней образующей верхних стержней 10 и нижней образующей нижних пазов 4, после чего в нижние пазы 4 укладывают нижние стержни 10 и устанавливают верхнюю крышку 2, которая прижимает нижние и верхние стержни к проволочным отрезкам 13. При этом, собранный СТЭГ должен , в первую очередь, обеспечивать плотную и надежную стыковку каждого отрезка проволоки 13 с поверхностью стержней 10 и поверхностью лотков овальных пазов 4 крышки 2 и днища 3, что достигается исполнением всех деталей корпуса 1 с прецезионной точностью.
СТЭГ работает следующим образом. При соприкосновении днища 3 корпуса 1 с горячей средой, а верхней крышки 2 противоположной стороны с холодной средой торцы, ТЭП 14 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны нагреваются, на них устанавливаются разные температуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к нижним стержням 10, в результате чего в них происходит эмиссия электронов от металлов М1 к М2 и передача их по проволочным отрезкам 13, выполненным из металла с высокой электропроводностью, к стержням 10, расположенным у холодной стенки крышки 2. Одновременно с процессом теплопередачи в результате разности температур охлажденных и нагретых торцов ТЭП 14 в ряду ТЭС 15 появляется термоэлектричество, которое через однополюсные коллекторы электрических зарядов 10 и 11, поступает в преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1-7 не показаны) и откуда подается потребителю.
При этом, компоновка стержней 10, состоящих из значительной массы спаев металлов 11 М1 и 12 М2, высокая электропроводность отрезков проволоки 13 и небольшой воздушный зазор между ветвями ТЭП 14 обеспечивают создание значительного количества термоэлектричества, передачу большей части тепла по отрезкам 13 и позволяют разместить большее количество ТЭП 14 по длине корпуса 1, что повышает выработку термоэлектричества каждым ТЭП 14 и, в целом, ТЭС 15. Кроме того, вертикальное сжатие торцевых концов проволочных отрезков 13 к стержням 10, выполненным из спаев металлов М1 и М2 создает более плотный контакт между ними, что также повышает выработку термоэлектричества каждым ТЭП 14 и, соответственно, всей СТЭГ.
Величина разности электрического потенциала на коллекторах 10, 11 и сила электрического тока зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены стержни 10, их массы, числа ТЭП 14 в ряду ТЭС 15 и их числа в СТЭГ, разности температур на противоположных концах ТЭП 14. Полученный электрический ток из одиночного СТЭГ, можно использовать для подзарядки гаджетов-мобильных телефонов, айфонов, плэйеров и тому подобных устройств в условиях отсутствия электроснабжения (например, при кипячении воды на костре, поместив его на дно емкости с подогреваемой водой или положив его на освещаемый солнцем участок льда или снега). При компоновке множества СТЭГ, полученный электрический ток можно использовать для самых различных целей (освещения зданий, горячего водоснабжения, зарядки автомобильных аккумуляторов, электроснабжения космических и подводных аппаратов и пр.), при условии наличия сред или поверхностей с различными температурами.
Таким образом, предлагаемое изобретение, в результате использования термоэмиссионных преобразователей 14, изготовленных из стержней 10, выполненных из спаянных металлов М1 и М2, соединенных между собой, соединенных между собой проволочными отрезками из металла с высокой электропроводностью, обеспечивает значительное, снижение стоимости и упрощение конструкции устройства, увеличение выработки термоэлектричества, что увеличивает эффективность стержневого термоэлектрогенератора.