ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
THERMO-ELECTRIC GENERATOR

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии (газовых горелок, примусов, костров и т.д.) в электрическую и может быть использовано в теплоэлектрических генераторах, применяемых преимущественно для электропитания и зарядки мобильных устройств, например радиоприемников, сотовых телефонов, JPS приемников и т.п., а также для локального освещения.
Известен термоэлектрический генератор (патент США № 3082276, H01L 35/32, 1963 г.), содержащий охлаждающий теплообменник, выполненный в виде сосуда для жидкости с утолщенным днищем, «горячий» теплообменник в виде массивной плиты, термоэлектрические батареи, к которым через электроизоляционные слои примыкают теплообменники, элементы прижима теплообменников к термоэлектрическим батареям и токоотводы.
Известен термоэлектрический генератор, выбранный в качестве прототипа (патент РФ № 2018196, H01L 35/32, опубл. 15.08.94), который содержит термобатареи, расположенные под утолщенным днищем сосуда для жидкости. Днище служит охлаждающим теплообменником, «горячий» теплообменник расположен под термобатареями и является массивной плитой. Она снабжена кольцевым экраном для защиты термобатарей. Токоотводы введены в сосуд с жидкостью и выведены из него в защитном герметичном трубопроводе.
Недостатком вышеперечисленных термоэлектрических генераторов является сложность конструкций, неудобство использования в походных условиях, т.к. они достаточно громоздки и требуют наличия воды.
Изобретение направлено на улучшение эксплуатационных характеристик термоэлектрического генератора, а именно достижение большей компактности, полной автономности и большего срока службы генератора.
Для достижения указанного результата в термоэлектрическом генераторе, содержащем «горячий» и охлаждающий теплообменники, термоэлектрическую батарею, к которой примыкают теплообменники, и токоотводы, в качестве «горячего» теплообменника использован термосифон или тепловая труба, представляющие собой трубку с камерой для испарения рабочего тела на одном конце и с камерой его конденсации на другом. Термосифон снабжен преобразующим устройством, выполненным в виде корпуса, в котором установлен пакет, состоящий из камеры конденсации, к которой последовательно, по крайней мере, с одной стороны установлены, по крайней мере, одна термоэлектрическая батарея и, по крайней мере, один охлаждающий теплообменник, например радиатор конвективного теплообмена с воздухом. Открытые части термосифона и термоэлектрических батарей окружены теплоизоляцией. В качестве рабочего тела используется вода. Охлаждающий теплообменник снабжен устройством принудительного обдува. Устройство принудительного обдува запитано непосредственно от термоэлектрической батареи. Термоэлектрический генератор снабжен стабилизатором выходного напряжения. Теплообменники примыкают к термоэлектрической батарее через теплопроводящие прокладки или теплопроводящую пасту. Для компенсации тепловых перемещений элементов преобразующего устройства пакет в преобразующем устройстве стянут пружинными элементами.
Разработанный ТЭГ позволил получить компактную, автономную от внешних условий конструкцию за счет циркулирования в герметичном объеме рабочей среды, переходящей из жидкой фазы в пар, и создания перепада температур на термоэлектрических батареях.
На фиг.1 изображен термоэлектрический генератор (ТЭГ), на фиг.2 - поперечное сечение ТЭГ, на фиг.3 - разрез А-А на фиг.2.
Термосифон (фиг.2) представляет собой трубку 1 с камерой для испарения рабочего тела 2 на одном конце и с камерой его конденсации 3 на другом. Термосифон снабжен преобразующим устройством, выполненным в виде корпуса 4, в котором установлен пакет, состоящий из камеры конденсации, к которой последовательно установлены термоэлектрические батареи 5 и охлаждающие теплообменники 6 в виде радиатора теплообмена с окружающим воздухом. Открытые части термосифона и термоэлектрических батарей окружены теплоизоляцией 7. В качестве рабочего тела используется вода. Охлаждающий теплообменник снабжен устройством принудительного обдува в виде вентилятора 8. Устройство принудительного обдува запитано непосредственно от термоэлектрической батареи. Термоэлектрический генератор снабжен стабилизатором выходного напряжения. Теплообменники примыкают к термоэлектрической батарее через теплопроводящие прокладки 9 или теплопроводящую пасту.
ТЭГ работает следующим образом. В качестве источника тепла используют примус или костер, в который помещают конец трубки 1 ТЭГ. Вода, находящаяся в камере 2, преобразуется в пар, который устремляется по трубке 1 в камеру 3, где происходит его конденсация. Тепловой поток от конденсации пара проходит через термоэлектрические батареи 5, и за счет охлаждающих теплообменников 6 на термоэлементах создается перепад температуры, и за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС, и по токоотводам в полезную нагрузку поступает полезная электрическая энергия. Конденсированный пар в виде капель воды стекает по трубке 1 в камеру 2. Таким образом образуется циркуляция воды в термосифоне. Для повышения эффективности теплообмена охлаждающие теплообменники 6 снабжены устройством принудительного обдува, выполненным в виде вентилятора 8, запитанного непосредственно от ТЭГ. Электрическая мощность ТЭГ прямо пропорциональна перепаду температуры и площади поверхности спаев термобатареи 5.
Лабораторный образец ТЭГ данной конструкции вырабатывает полезную мощность примерно 5 Вт при выходном напряжении 5 В. При этом рабочие температуры горячего и холодного спаев термоэлемента составляют примерно 150 и 70 градусов Цельсия соответственно. Это позволяет сделать заключение о том, что время службы термоэлементов в данной конструкции будет больше, так как они работают в более щадящих условиях, чем в прототипе, где соответствующие температуры имеют значения около 190 и 110 градусов Цельсия.