РАДИАЛЬНО-КОЛЬЦЕВАЯ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ БАТАРЕЯ

Полезная модель относится к области создания термоэлектрических генерирующих полупроводниковых приборов, обеспечивающих прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и работающих на эффекте Зеебека, а конкретно к конструкции термоэлектрической генераторной батареи (ТГБ) радиально-кольцевого типа.
В настоящее время актуальной задачей энергетики является использование генерирующих установок: безопасных, не наносящих вред экологии, использующих альтернативные источники энергии. Общество заинтересовано в получении экологически чистых, удобных в обращении, максимально приближенных к потребителю, рассредоточенных теплоэлектрогенераторов не слишком большой мощности, обладающих высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и не представляющих опасности ни для человека, ни для окружающей среды, способных максимально использовать бросовое бесполезно выделяемое тепло от сжигания любого вида топлива, геотермальных источников, а также тепловую энергию многих технологических и химических процессов.
Термоэлектрические генераторные батареи (ТГБ) являются основным элементом термоэлектрических устройств генераторного типа, обеспечивающих прямое преобразование тепловой энергии (промышленных тепловых отходов и бросового тепла от тепловых машин - двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и др.) в электрическую, работающих на эффекте Зеебека [1]. Теплоэлектрогенераторы являются дополнительным источником электрической энергии, которая может быть использована как для внутренних потребностей, так и для передачи ее во внешнюю электрическую цепь, в том числе для питания средств связи, аппаратуры автоматики и телемеханики, для катодной защиты от коррозии нефтегазовых трубопроводов в труднодоступных географических районах со сложными метеоусловиями. В основном, эксплуатация теплоэлектрогенераторов в таких районах сопровождается резкими перепадами температуры, давления, влажности. В связи с этим особое значение для генераторов приобретают такие параметры, как максимальный ресурс работы и высокая надежность, которые зависят главным образом от качества ТГБ.
Широко известны различные конструкции ТГБ, основными из которых являются: плоская (панельная), радиально-кольцевая, шаровая. Вне зависимости от типа конструкции ТГБ к ним неизменно предъявляется ряд основных требований - ТГБ должны:
- быть компактными,
- аккумулировать по возможности большую часть подведенного к ней тепла,
- обладать максимально возможным КПД,
- обладать необходимой механической прочностью и химической стойкостью в условиях большого градиента температур в течение максимально длительного времени,
- обладать технологичностью изготовления, т.е. технология должна допускать механизацию процесса изготовления при низких материальных и трудозатратах.
Например, известна генераторная термоэлектрическая батарея, состоящая из чередующихся полупроводниковых ветвей n- и p- типов проводимости скоммутированных электрически тонкопленочными электродами [2]. Данная конструкция имеет ряд недостатков:
- покрытие внешнеоребренных стенок батареи из слоя эмали, например, марки «КО-89 ТУ6-10-2024-85», характеризуется низкой эластичностью, что наряду со значительной разницей в температурных коэффициентах расширения с основными элементами конструкции, приводит к растрескиванию и отслоению этого герметизирующего покрытия, т.е. к появлению участков конструкции близких к теплопоглощающему теплопереходу, где происходит интенсивная сублимация полупроводникового материала ветвей и, как следствие, снижение электрофизических выходных параметров батареи;
- применение керамического тонкопленочного мозаичного покрытия теплопоглощающей и тепловыделяющей сторон батареи не обеспечивает герметичности конструкции батареи, так как при этом конструктивном решении арматурный решетчатый каркас из стеклотекстолита подвержен прямому воздействию кислорода и высоких температур, помимо этого тонкопленочное керамическое покрытие подвержено растрескиванию и разрушению;
- использование стеклотекстолита для изготовления планок арматурного решетчатого каркаса приводит к тому, что при длительном температурном воздействии более 200°С происходит выгорание модифицированного фенолоформальдегидного связующего стеклотекстолита с образованием газообразной составляющей дополнительно разрушающей герметичность конструкции изнутри и полной потерей механической жесткости арматурного решетчатого каркаса;
- изготовление тонкопленочных коммутирующих шин обуславливает использование в технологии изготовления батарей дорогостоящего и сложного оборудования вакуумного напыления тонких пленок и операций фотолитографии, что приводит к значительному увеличению себестоимости батареи;
- сложность обеспечения теплового сопряжения термоэлементов указанной батареи, как и других плоских батарей, с трубчатыми конструкциями теплообменников, которые наиболее широко используются в промышленности, начиная от бытовой теплотехники для транспортировки газовых и жидкостных теплоносителей до специального применения в ядерной энергетике.
Цилиндрические элементы трубчатых конструкций теплообменников, с передачей тепла по радиусу, конструктивно хорошо сопрягаются с ТГБ радиально-кольцевого типа, имеющими более высокие удельные энергетические характеристики за счет снижения массы конструктивных элементов, обеспечивающих тепловое сопряжение термоэлементов с элементами конструкций подвода тепла и его сброса.
Однако, в известных конструкциях ТГБ радиально-кольцевого типа, как правило, имеются следующие недостатки: низкий ресурс эксплуатации, связанный с деградацией свойств основных элементов конструкции; низкая механическая прочность, приводящая к аварийным отказам в ходе работы при значительных температурных градиентах; низкие электрофизические выходные параметры; невозможность работы в условиях значительных градиентов температур; низкие значения КПД и вырабатываемой электрической мощности. Немаловажными недостатками также являются нетехнологичность и сложность конструкции, приводящая к невозможности автоматизации и механизации процесса изготовления, и как следствие - высокая себестоимость и дороговизна ТГБ радиально-кольцевого типа и теплоэлектрогенератора в целом.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному техническому решению является конструкция термоэлектрической генераторной батареи [3], содержащая термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости с внутренними электропроводящими соединениями ветвей, а также коммутирующие элементы термомодулей для их соединения между собой и токовводы, где термомодули выполнены в виде разрезной шайбы, составленной из последовательно соединенных ветвей n- и p-типов, каждая из которых имеет форму дугообразно согнутых брусков, установленных по дугообразной образующей с зазором между соседними ветвями, при этом внутренние электропроводящие соединения ветвей выполнены в виде бимсовых ребер, закрепленных на внешней и внутренней сторонах упомянутой разрезной шайбы, причем каждое бимсовое ребро соединяет последовательно n-тип одной полупроводниковой ветви с p-типом соседней ветви, при этом коммутирующие элементы термомодулей выполнены в виде парусообразных пластин, например, из меди и размещены вдоль разреза шайбы, параллельно соединяя соседние термомодули так, что образуют последовательное соединение двух соседних пар термомодулей с возможностью образования единой электрической цепи.
Основным недостатком этой конструкции ТГБ радиально-кольцевого типа является низкая надежность, обусловленная малой механической прочностью и высокой хрупкостью полупроводниковых пар ветвей, причиной которых является низкая адгезия припрессованных подкоммутационных слоев полупроводниковых ветвей, к которым производится припайка коммутирующих элементов термомодулей в виде парусообразных пластин. Такая батарея, обладая малой прочностью, может разрушаться под действием механических нагрузок, возникающих вследствие теплового расширения и различия термических коэффициентов элементов конструкции.
Также к ее недостаткам можно отнести низкую технологичность и сложность конструкции, причиной которой является необходимость использования для ее сборки процессов пайки, плохо поддающихся процессам механизации и автоматизации и требующих применение сложной технологической оснастки, что обуславливает дороговизну готового продукта. Кроме того, пайка припоев с высокими температурами плавления (~300°С) на основе свинца и химически активных флюсов с галогенами является весьма экологически грязным и вредным процессом. Использование безсвинцовых припоев значительно удорожает изделие и снижает его рабочий ресурс.
Серийно изготавливаемого оборудования для автоматизации процессов сборки радиально-кольцевых батарей такой конструкции нет, а имеющееся оборудование для пайки в инертных средах не может быть использовано по причине коррозионного воздействия химически активных флюсов и припоев при весьма высоких температурах пайки, более 400°С.
Наличие прослойки припоя в данной конструкции между полупроводниковыми ветвями и коммутационными пластинами уменьшает электрофизические выходные параметры данной конструкции, так как припой, имея низкую теплопроводность (от 10 до 90 Вт/м·К), вносит паразитное тепловое сопротивление теплопоглощающего и тепловыделяющего теплопереходов указанной ТГБ радиально кольцевого типа.
Еще одним недостатком этой конструкции является сложность крепления термомодулей к внешней и внутренней трубчатым оболочкам при размещении их в полости между ними. Помимо того, что подобные трубчатые оболочки обычно выполнены из дорогостоящей теплопроводной керамики толщиной более 3 мм, крепление к ним возможно только при помощи теплопроводных слоев типа клея, пасты ит.п., что дополнительно увеличивает тепловое сопротивление теплопоглощающего и тепловыделяющего теплопереходов ТГБ радиально кольцевого типа.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в создании механически прочной, надежной, технологичной по конструкции термоэлектрической батареи радиально-кольцевого типа.
Технический результат:
- повышение электрофизических выходных параметров за счет устранения, во-первых, прослойки припоя между полупроводниковыми ветвями и коммутационными пластинами и, во-вторых, теплопроводных слоев типа клея, пасты и т.п., т.е. за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах;
- механическая прочность и трещиностойкость конструкции, за счет исключения припрессованных подкоммутационных слоев полупроводниковых ветвей, что позволяет обеспечить длительный ресурс безаварийной работы;
- технологичность конструкции за счет исключения в процессе изготовления ТГБ операции припресовки коммутационных слоев, сборки пайкой и размещения термомодулей в полости между внешней и внутренней трубчатыми оболочками;
- увеличение диапазона рабочих температур, т.к. предложенная конструкция ТГБ обладает повышенной термостойкостью за счет исключения из конструкции припоя, обладающего более низким диапазоном рабочих температур по сравнению с диапазоном рабочих температур используемого полупроводника.
Дополнительный технический результат - экологичность изготовления предложенной ТГБ за счет исключения из технологии операций пайки, как правило, осуществляемых вручную.
Поставленная задача достигается за счет того, что в конструкцию термоэлектрической генераторной батареи, содержащей термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, где каждая из ветвей имеет форму дугообразно согнутых брусков, установленных по дугообразной образующей, коммутирующие элементы термомодулей для их соединения между собой с возможностью образования единой электрической цепи, внешнюю и внутреннюю трубчатые оболочки и токовводы, внесены следующие новые признаки:
- в качестве дугообразной образующей использована кассета, выполненная из конструкционного изоляционного материала в виде полого цилиндра, в ячейках которой располагаются полупроводниковые ветви, чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке, такое техническое решение обеспечивает топологию электрического соединения ветвей со сторон теплопереходов, а также электрическую и тепловую изоляцию ветвей между собой;
- коммутирующие элементы термомодулей, соединяющие их электрически в батарею, представляют собой внешний и внутренний коммутационный слой, включающий основной коммутационный слой и барьерный слой, нанесенный непосредственно на полупроводниковые ветви в одном цикле напыления с основным коммутационным слоем;
- основной коммутационный слой выполнен из металлов с высокой электропроводностью, например, серебра, меди, алюминия, никеля, их сплавов и пр.;
- барьерный слой, расположенный между полупроводниковыми ветвями и основным коммутационным слоем, выполнен из металлов следующего ряда: ванадий, никель, сурьма, молибден, кобальт, хром, их сплавы и пр. Барьерный слой служит для увеличения адгезии и предотвращения диффузии материала основного коммутационного слоя;
- суммарная толщина коммутационного слоя (основного и барьерного) в зависимости от вида используемого металла и величины расчетного тока батареи может быть от 0,5 до 3 мм;
- внутренняя трубчатая оболочка, выполняющая роль теплоприемника расположена внутри кассеты, в ячейках которой располагаются скоммутированные электрически полупроводниковые ветви и выполнена из теплопроводного металла, внешняя поверхность внутренней трубчатой оболочки снабжена электроизоляционным теплопроводным покрытием;
- внешняя трубчатая оболочка представляет собой нанесенный непосредственно на наружную поверхность внешнего коммутационного слоя ТГБ слой электроизоляционного теплопроводного покрытия, что позволяет увеличить выходные электрофизические параметры конструкции за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах, свойственных прототипу из-за наличия в нем теплопроводных слоев типа клея, пасты и т.п;
2
3
- электроизоляционное теплопроводное покрытие внешней поверхности внутренней трубчатой оболочки и внешняя трубчатая оболочка батареи представляют собой нанесенную методами напыления или электрохимического оксидирования пленку из электрокорунда (AlO), нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) и тому подобных материалов.
Совокупность вышеуказанных признаков, обеспечивающих заявленный технический результат, не выявлены из уровня техники, следовательно, полезная модель отвечает критерию «новизна» и соответствует условию «промышленная применимость», т.к. имеет применение в промышленности: может быть использована в различных термоэлектрических теплоэлектрогенераторах, обладающих уникальными сочетаниями конструктивных и эксплуатационных характеристик, таких, как отсутствие движущихся деталей, высокая надежность, возможность эксплуатации в течение нескольких лет без обслуживания или при минимальном периодическом обслуживании, возможность использования теплоты от любых источников тепловой энергии, способность работы не зависимо от пространственного положения и вида окружающей среды: в сложных климатических условиях, под водой, под землей, в космосе.
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - термопара полупроводниковых ветвей, вид сбоку;
- фиг.2 - термопара полупроводниковых ветвей, изометрический вид;
- фиг.3 - кассета для полупроводниковых ветвей, изометрический вид;
- фиг.4 - термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа с внутренней трубчатой оболочкой, выполняющей роль теплоприемника, без внешнего коммутационного слоя, изометрический вид;
- фиг.5а - внутренняя трубчатая оболочка, выполняющая роль теплоприемника, с электроизоляционным теплопроводным покрытием, изометрический вид;
- фиг.5б - термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа с внешним коммутационным слоем, но без цилиндрического теплоприемника и внешней трубчатой оболочки, изометрический вид.
2
3
Заявляемая полезная модель - термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа состоит из полупроводниковых ветвей 1 с проводимостями p- и n-типов, выполненных в виде дугообразно согнутых брусков. Угол раскрытия, толщина и высота ветви могут быть различными, в зависимости от расчетных характеристик ТГБ радиально-кольцевого типа, вплоть до того, что ветвь может быть кольцевой. Ветви 1 соединены электрически в батарею внешним коммутационным слоем 2 и внутренним коммутационным слоем 3. Коммутационные слои 2 и 3 выполнены из металла с высокой электропроводностью, например серебра, меди, алюминия, никеля, и/или из их сплавов. Для увеличения адгезии и предотвращения диффузии материала коммутационных слоев 2 и 3 непосредственно на полупроводниковые ветви 1 в одном цикле напыления с коммутационными слоями 2 и 3 нанесены барьерные слои 4 из ряда металлов ванадий, никель, сурьма, молибден, кобальт, хром, и/или их сплавы. Суммарная толщина внешнего коммутационного слоя 2 и барьерного слоя 4, также как суммарная толщина внутреннего коммутационного слоя 3 и барьерного слоя 4, в зависимости от вида основного металла, коммутации и величины протекающего тока может быть от 0,5 до 3 мм. Топологию электрического соединения со сторон теплопереходов, а также электрическую и тепловую изоляцию ветвей 1 между собой обеспечивает кассета 5, изготовленная из конструкционного изоляционного материала, например полиимида, стеклотекстолита, фторопласта, слюды мусковит, теплоизоляционной керамики форстерита, стеатита и пр. Полупроводниковые ветви 1 помещены в ячейки кассеты 5, чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке. Внутри кассеты 5 с расположенными в ней скоммутированными электрически ветвями 1 находится внутренняя трубчатая оболочка 6, выполняющая роль теплоприемника, и представляющая собой трубу круглого сечения из теплопроводного металла, например, меди, алюминия, стали и пр, снабженную с наружной стороны электроизоляционным теплопроводным покрытием 7. Электроизоляционное теплопроводное покрытие 7 и внешняя трубчатая оболочка (на фигурах не показана) на внешнем коммутационном слое 2, выполнены в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия из электрокорунда (AlO), нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) и тому подобных материалов, нанесенных методами напыления, электрохимического оксидирования и др.
Предлагаемая термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа может быть установлена на источник тепла трубчатой конструкции либо может быть врезана в теплопровод, имеющий цилиндрическую форму. С наружной стороны ТГБ устанавливается холодный радиатор.
Тепло от источника тепла через цилиндрический теплоприемник 6 поступает на внутренний коммутационный слой 3, выполненный из металла с высокой электропроводностью, например, серебро, медь, алюминий, никель, их сплавы.
При этом, за счет эффекта Зеебека (возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах), в цепи последовательно соединенных полупроводниковых ветвей 1 с проводимостями p- и n-типов, выполненных в виде дугообразно согнутых брусков, которые располагаются чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке в ячейках кассеты 5, выполненной в виде полого цилиндра, в термоэлектрической генераторной батарее возникает электрический ток, который через токовводы (на фигурах не показаны) подводится к потребителю в установленном режиме.
Из вышесказанного очевидны следующие преимущества предлагаемой термоэлектрической генераторной батареи радиально-кольцевого типа:
- конструкция обладает высокой надежностью, механической прочностью и трещиностойкостью конструкции, позволяющими обеспечить длительный ресурс безаварийной работы, за счет наличия барьерного слоя, обеспечивающего повышение адгезии и предотвращение диффузии материала основного коммутационного слоя, а также за счет применения упрочняющей конструкцию кассеты, выполненной из конструкционного электро- и теплоизоляционного материала;
- высокая технологичность конструкции позволяет исключить в процессе изготовления батареи операции припресовки коммутационных слоев и сборки пайкой, что одновременно повышает экологичность процесса;
- батарея имеет увеличенный диапазон рабочих температур и высокую термостойкость ограниченную лишь возможностями полупроводникового материала ветвей;
- ТГБ обладает повышенными электрофизическими выходными параметрами за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах и увеличения диапазона рабочих температур.
Список литераторы:
1. Охотин, А.С. Термоэлектрические генераторы. / А.С.Охотин, А.А.Ефремов, B.C.Охотин, А.С.Пушкарский.; под ред. А.П.Регеля - М.: Атомиздат. 1971 г. - 288 с.
2. Патент РФ на полезную модель №93584, Мкл. Н01L 35/00, опубл.27.04.2010
3. Патент РФ на полезную модель №51287, Мкл. Н01L 35/28, опубл.27.01.2006