ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ТЕРМОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к термоэлектрическим приборам, в частности, к термопреобразователям, обеспечивающим получение электроэнергии за счет использования, например, бросового тепла.
Известен твердотельный термопреобразователь, который представляет собой металлическую пластинку с контактными площадками для крепления модуля термопары, состоящего из подложки в виде полиамидной пленки электроизоляционного лака с напыленными слоями разнородных металлов с контактами, резистивного слоя и диэлектрического покрытия (см. RU 94001924, кл. H01L 35/28, 20.09.1995). Недостатком известного устройства является малый ток короткого замыкания при использовании в качестве источника энергии, невозможность в стационарном режиме поддерживать необходимую разность температур и сложность сопряжения с конструкциями существующих источников бросового тепла.
Задачей полезной модели является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в улучшении эксплуатационных характеристик термопреобразователя, в частности, увеличении значения термоэдс и тока короткого замыкания. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что твердотельный термопреобразователь содержит тонкостенный перфорированный корпус, выполненный из материала низкой электро- и теплопроводности, и активный элемент, в котором происходит преобразование энергии теплоносителя в электроэнергию, нанесенный в виде пленки постоянной или переменной толщины на поверхность перфорированного корпуса так, чтобы пленка находилась в плотном тепловом и электрическом контакте с каждым из двух токосъемников-контактов, расположенных на корпусе и изготовленных из материала высокой электро- и теплопроводности. Перфорированный корпус преобразователя может быть выполнен в форме усеченного конуса, диска с отверстием, усеченной сферы или цилиндра. Перфорированная стенка корпуса преобразователя может быть гофрирована. Множество перфорированных корпусов твердотельного термопреобразователя может быть заключено в герметичную оболочку, внутри которой создано разрежение, достаточное для воспрепятствования теплопереноса между отдельными корпусами и вдоль каждого корпуса за счет теплопроводности и конвекции газа, остающегося внутри герметичной оболочки.
На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого термопреобразователя на примере корпуса в форме усеченного конуса;
на фиг.2 - термопреобразователь, составленный из нескольких конусных корпусов;
на фиг.3 - то же с поочередно зеркальным размещением конусных корпусов;
на фиг.4 - термопреобразователь, составленный из нескольких корпусов в форме диска с отверстием, в герметичной оболочке.
Твердотельный термопреобразователь в простейшем случае представляет собой тонкостенный корпус 1 в форме усеченного конуса, выполненный из материала низкой электро- и теплопроводности, например, из стекла, керамики, полимера и т.п. Корпус 1 также может иметь форму диска с отверстием, усеченной сферы или цилиндра (последние два на чертеже не показаны). В стенке корпуса выполнены сквозные отверстия 2 для выхода нагретой газообразной среды, в которой находится термопреобразователь, что улучшает тепловую развязку горячего 3 и холодного 4 токосъемников и дополнительно увеличивает разность их температур. Число отверстий 2, их расположение на поверхности корпуса 1, форма и размеры выбираются с учетом соответствия жесткости и прочности корпуса условиям эксплуатации термопреобразователя. На внешнюю поверхность корпуса 1 нанесен активный элемент в виде пленки 5 постоянной или переменной толщины. В пленке 5 происходит непосредственное преобразование энергии теплоносителя в электроэнергию. Одна из поверхностей пленки 5 находится в плотном тепловом и электрическом контакте с платой 6, поддерживаемой при низкой температуре, а другая - с втулкой 7, поддерживаемой при высокой температуре. Плату 6 и втулку 7 выполняют из материала с высокой тепло- и электропроводностью, например, из никеля.
Предложенный термопреобразователь позволяет организовать как параллельное, так и последовательное соединение многих корпусов, используя один нагреватель 8 и один охладитель 9. Кроме того, такой термопреобразователь позволяет поместить множество таких корпусов в герметичную оболочку 10, в результате чего существенно уменьшится перенос тепла от нагретой части поверхности каждого элемента к холодной части поверхности другого элемента. При этом, при последовательном соединении элементов, прирост результирующей ЭДС холостого хода цепочки элементов за счет увеличения их числа сопровождается меньшим приростом внутреннего электросопротивления всей цепочки благодаря увеличения толщины пленки активного вещества каждого последующего элемента.
Толщина пленки 5, в частности, может быть доведена до значения, при котором коллектив свободных носителей заряда приобретает пониженную размерность (например, становится двумерным).
Электросопротивление R пленки относительно контактов термопреобразователя на фиг.1 определяется выражением
1
1
2
где х - координата вдоль поперечной оси конуса, отсчитываемая от сечения конуса наименьшего диаметра (D); l - расстояние между сечениями конуса наименьшего диаметра (D) и наибольшего диаметра (D); α - угол между образующей конуса и его продольной осью; t - толщина пленки; ρ - удельное сопротивление вещества пленки. При этом для существенного уменьшения электросопротивления термопреобразователя целесообразно реализовать следующие условия:
-5
-5
2
1
Например, в случае однородной по толщине пленки с удельным сопротивлением ρ=10 Ом·см (характерное значение для полуметаллов); t=10 cм; 1=5 см; D=24 см; D=3 см сопротивление пленки будет 0,4 Ом.
Предлагаемый твердотельный преобразователь так называемой тепловой энергии (кинетической энергии свободных носителей электрического заряда) в так называемую электроэнергию (потенциальную энергию свободных носителей электрического заряда) работает следующим образом.
Между торцами активного элемента создается градиент температуры. Вследствие этого возникает градиент скоростей свободных носителей заряда, из-за чего, в свою очередь, начинается преимущественный поток этих носителей от горячего торца к холодному. В режиме холостого хода термопреобразователя поток существует до тех пор, пока между торцами не возникнет электрическое поле, создающее поток подвижных носителей заряда, направленный навстречу потоку носителей от горячего торца к холодному торцу. Сложение потоков, обусловленных градиентом температуры и электрическим полем, приводит к уменьшению до нуля результирующего потока и к возникновению разности электрических потенциалов торцов образца (ЭДС холостого хода). Предлагаемый преобразователь может работать не только в режиме холостого хода, но и в режимах короткого замыкания и на пассивную нагрузку. Максимально возможная величина ЭДС холостого хода достигается в том случае, если конструкция преобразователя позволит обеспечить максимально возможный перепад температур между горячим и холодным торцами.
Предлагаемая конструкция преобразователя позволяет обеспечить максимально возможный перепад температур между горячим и холодным торцами (контактами-токосъемниками). При указанных выше размерах возможно поддержание стационарной разности температур контактов-токосъемников преобразователя более 500К при температуре холодного контакта в пределах от примерно 285К (охлаждение проточной водой городского водопровода) до примерно 290К (применение радиатора и охлаждения вентилятором).
Таким образом, предложенная конструкция твердотельного термопреобразователя позволяет достичь низкого внутреннего электросопротивления, поддерживать большую стационарную разность температур контактов, использовать для сопряжения с существующими конструкции источников тепла (в частности, источников бросового тепла, например, таких, как выхлопные трубы) и охладителей, а также реализовать квантово-размерные эффекты в пленке активного вещества, нанесенной на корпус, длина которого позволяет поддерживать стационарную разность температур контактов в сотни градусов, что приводит к улучшению эксплуатационных характеристик термопреобразователя, в частности, к увеличению значений термоэдс и тока короткого замыкания и повышает удобство его использования.