Трубчатый термоэлектрический модуль
TUBULAR THERMOELECTRIC MODULE

Изобретение относится к термоэлектрическому приборостроению, в частности к термоэлектрическим генераторам используемым в системах с трубчатыми теплообменниками, но может быть использовано и в конструкциях плоских панельных термогенераторов.
Аналогом заявляемого технического решения является термоэлектрический модуль, а.с. №166719 от 01.12.81 г., состоящий из внутреннего и наружного теплопроводов в коаксиальном зазоре между которыми размещены многоэлементные радиально кольцевые термобатареи изолированные от металлоконструкции керамическими втулками из спеченной высоко теплопроводной керамики типа окиси бериллия. Ветви термоэлементов выполнены в виде секторов цилиндрических колец и скоммутированы в параллельно последовательную электрическую цепь посредством сегментных коммутационных шин (медь, никель) через гарантированный слой пластичного припоя, обеспечиваемый пуклевками, которыми снабжены коммутационные шины. Модули, изготовленные по данному А.С. показали феноменальную стойкость к термоциклированию (свыше 1000 полных термоциклов) и ресурс работы (свыше 20 лет). В этом модуле поперечное сечение ветвей представляет собой прямоугольник и токовая высота ветви равна разности соответствующих радиусов спаев (наружного и внутреннего) коаксиальной структуры термобатареи минус сумма толщин коммутационных шин.
К недостаткам данной конструкции следует отнести достаточно высокие термические сопротивления теплопереходов от горячей к холодной стороне, обусловленные наличием электроизоляторов в виде цилиндрических керамических втулок, которые могут быть посажены на теплопроводы и термобатарею по скользящей или ходовой посадке и, как следствие четырех кольцевых зазоров в радиальной структуре термобатареи, которые в лучшем случае могут быть заполнены высокотемпературными клеями-эмалями в виде прослоек с низкой теплопроводностью. Кроме того малая высота по термоэлектрическому материалу, с учетом потерь на коммутации, недостаточна для срабатывания заданного перепада температур на материале.
Как показали испытания и эксплуатация трубчатых модулей, только половина перепада температур между горячим и холодным теплопроводами приходится на собственно термоэлектрический материал, т.е. только половина подводимого теплового потока преобразуется в электроэнергию.
Токовая высота ветвей в данной конструкции определяется коаксиальным зазором между теплопроводами и, для ее увеличения и увеличения термического сопротивления термоэлектрического сплава и, соответственно, увеличения полезного перепада температур на спаях трубчатой батареи, требуется увеличение коаксиального зазора между теплопроводами, увеличения разности диаметров теплопроводов и, как следствие, увеличения массы дорогостоящих термоэлектрических сплавов, габаритов, массы металлоконструкции и стоимости изготовления.
Прототипом заявляемого технического решения может быть принят патент №2335036 «Термоэлектрическая батарея» от 27.12.2007 г. Отличительной особенностью данного технического решения является то, что ветви установлены наклонно в одной из координатных осей, причем ветви, выполненные из полупроводника p-типа, расположены под углом, противоположным углу наклона ветвей, выполненных из полупроводника n-типа, а угол наклона между ветвями лежит в пределах 10…170° а коммутационные пластины выполнены в виде трехгранных призм. Основным недостатком данного технического решения является значительное увеличение линейных габаритных размеров устройства, а также сложная конструкция коммутационных шин, которые должны выполняться в форме трехгранной призмы и технологическая сложность пайки шин с ветвями термоэлементов, практическая невозможность обеспечения высокотемпературных контактов, например, диффузионной сваркой.
Заявляемое техническое решение направлено на создание конструкции трубчатого термоэлектрического модуля с повышенными эксплуатационными параметрами за счет увеличения эффективной токовой длины термоэлементов, снижения контактных электрических и термических сопротивлений за счет увеличения контактной площади коммутационных шин по сравнению с поперечным сечением ветвей термоэлементов, повышения перепада температур на термоэлектрическом материале за счет увеличения эффективной токовой длины ветвей при уменьшении поперечного сечения ветви и сохранении коаксиального зазора между трубчатыми теплопроводами.
Эта цель достигается тем, что ветви термоэлементов или касательные к боковым поверхностям выполнены аксиально наклонными к продольной оси теплопроводов, причем боковые поверхности ветвей противоположного типа проводимости выполнены эквидистантными (равноудаленными) друг другу, а теплоконтактные, торцовые, коаксиальными. В поперечном сечении ветви могут быть выполнены в виде параллелограмма, в виде равнобокого уголка (шеврона) или в виде сектора кругового кольца (части тора), причем поверхности ветвей, контактирующих с теплопроводами выполнены коаксиальными для трубчатых структур, либо параллельными для термобатарей (ТБ) плоской геометрии. Для многоэлементных (высоковольтных) конструкций наклонные ветви выполнены в виде радиальных секторов усеченных конических, уголковых (шевронных) или кольцевых оболочек. Толщина ветви в выбирается из соотношения 0,2…0,4 эффективной длины термоэлемента L, а межэлементный зазор δ составляет 0,2…0,5 толщины ветви в.
Эффективная токовая длина ветви определяется из соотношения
[1]
где h=Rн-Rвн - коаксиальный зазор по спаям;
Rн и Rвн - соответственно наружный и внутренний радиус спаев;
α - угол наклона ветви,
а
- ширина токовой площадки ветви,
2
а функция ψ учитывает отклонение от закона 1/cosα и определяется численными методами из соотношений [1] и [2], где эффективная длина ветви определяется распределением температур по высоте ветви
где интеграл берется либо по нижнему основанию (y=0), либо по верхнему (у=Н)
Для узкой ветви в/h<0,3 функция ψ(α, в/h)~1 и, как следует  Здесь в - толщина ветви: кратчайшее расстояние между наклонными равноудаленными (эквидистантными) боковыми поверхностями ветвей.
При использовании наклонных ветвей пропорционально углу наклона ~1/cosα увеличивается эффективная токовая длина ветви, увеличивается тепло и электроконтактная площадь ветви, пропорционально снижающая электроконтактные сопротивления коммутации кольцевых и плоских структур. В такой структуре легче компенсируются линейные термические расширения, поскольку при нагреве внутреннего теплопровода и его термического расширения при существенно меньшем расширении холодного теплопровода, обеспечивается сжатие всей структуры за счет большего увеличения внутреннего диаметра горячего теплопровода и уменьшения термических сопротивлений всей многослойной структуры, которая работает на сжатие. При сжатии многослойной коаксиальной структуры трубчатой батареи с наклонными ветвями работают не только силы упругости сжимаемого материала (закон Гука), которые должны быть меньше предела прочности самого малопрочного материала (термоэлектрического сплава) при сжатии, но и изгибные деформации ветвей за счет их наклона. А деформации изгиба на порядки выше деформаций сжатия в пределах упругости материала, и, следовательно, конструкция с наклонными (шевронными) ветвями по определению более термостойкая.
При использовании в конструкциях трубчатых термоэлектрических батарей наклонных ветвей можно существенно уменьшить коаксиальный зазор между теплопроводами и, следовательно, металлоемкость конструкции и массу используемого термоэлектрического материала при увеличенной токовой высоте ветвей.
Одним из основных факторов, снижающих эффективность преобразования ТЭГ, являются потери температуры на теплопереходах, которые могут достигать половины полного перепада между источником тепла и холодильником. Их можно уменьшить увеличением площади коммутационных шин, что при использовании наклонных ветвей получается автоматически, а также соответствующим выбором коэффициента упаковки-отношения площади поперечного сечения термоэлементов к общей площади термобатареи. Особенно эффективно разнесение термоэлементов при использовании наклонных термоэлементов, поскольку позволяет существенно снизить межэлементные прямые перетечки тепла через наклонную межэлементную теплоизоляцию, если использовать межэлементную теплоизоляцию с низкими значениями коэффициента теплопроводности, например, минеральную прессованную теплоизоляцию типа АТМ-7 с коэффициентом теплопроводности на уровне теплопроводности аргона.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежами.
На фиг. 1-3 показаны фронтальные проекции вариантов конструкций наклонных ветвей термоэлемента, на фиг. 4-6 - варианты их профильных проекций.
а
На фиг. 1 показана фронтальная проекция конструкции ветвей термоэлементов, поперечное сечение которых представляет собой параллелограмм, где L токовая высота ветви, в - толщина ветви,  - ширина теплоконтактной поверхности (спая) ветви, α - аксиальный угол наклона ветви к продольной оси, h - расстояние между спаями ветви.
На фиг. 2 - равнобокий уголок (шеврон) с параллельными теплоконтактными поверхностями и эквидистантными боковыми гранями.
На фиг. 3 - сектор кругового кольца (тора) с параллельными торцовыми теплоконтактными поверхностями (спаями), предназначенными для коммутации термоэлементов в трубчатые термобатареи и равноудаленными (эквидистантными) боковыми поверхностями.
На фиг. 4, 5, 6 - профильные проекции ветвей, которые могут быть выполнены в виде конусных секторов (4), в виде трапеций (5), в виде прямоугольной призмы (6).
2
Эффективная токовая длина ветви, как указано выше, определяется из соотношения L=(h/cosα)⋅ψ(α, в/h). Тепловой поток распространяется вдоль образующей призмы по изотермам, практически перпендикулярным наклонным поверхностям призмы, причем эффективная площадь поперечного сечения уменьшается по закону ~1/cosα, по тому же закону уменьшается эффективная площадь поперечного сечения ветви, следовательно повышается термическое сопротивление ветви и пропорционально увеличивается перепад температур на термоэлектрическом материале. Технология изготовления не отличается от технологии изготовления ветвей с перпендикулярными боковыми поверхностями. Конусные, уголковые, секторные в виде круговых колец заготовки для ветвей термоэлементов трубчатых ТЭГ прессуют в пресс-форме с пуансонами, снабженными соответствующими эквидистантыми конусными уголковыми, торообразными встречными наконечниками пуансонов. После горячего вакуумного прессования кольцевые заготовки разрезают на секторные ветви. Для изготовления наклонных секторных ветвей не подвергаемых механической обработке могут быть использованы вакуумные многогнездовые прессформы с соответствующими формами встречных поверхностей пуансонов.
На фиг. 7. показана фронтальная проекция конструкции кольцевого ряда термоэлементов (кольца) с наклонными термоэлементами типа параллелограмм, на фиг. 8 - фронтальная проекция кольца с уголковыми (шевронными ветвями), на рис. 9 профильная проекция кольцевого ряда, где поз. 1 - сдвоенные ветви N-типа, по. 2 - сдвоенные ветви P-типа, поз 3. внутренние коммутационные шины, поз. 4 изоляционные проставки между термоэлементами по горячей стороне, поз. 5 наружные коммутационные шины, поз. 6 проставки между термоэлементами холодной стороны, поз. 7 изоляционные проставки между полукольцами. Термоэлементы склеиваются в кольцо посредством высокотемпературной эмали, например, ОС 52-01 через изоляционные проставки.
На фиг. 10. показан вариант линейного ряда термоэлементов (линейка), где, позиции 8 и 9, ветви термоэлементов Р и N-типов, позиция 10 электроизоляционные тешюпереходы, включающие коммутационные шины и диффузионно сваренные с ними электроизоляционные пластины из высокотеплопроводной керамики, позиция 11, «толстые» электроизоляционные проставки между термоэлементами по горячей и холодной стороне вклеенные на высокотемпературной эмали, позиция 12 токовыводные шины, причем толщина проставок (позиция 11) составляет .4…0,5 толщины ветви для минимизации прямых перетечек тепла между боковыми поверхностями наклонных термоэлементов. Эта конструкция может использоваться как для сборки трубчатых так и в плоских ТБ, более того, такая конструкция позволяет изготавливать ТБ средне-высокотемпературного диапазона рабочих температур с использованием технологий диффузионной сварки и высокотемпературной пайки. На фиг. 11. показана профильная проекция трубчатой ТБ с наклонными ветвями собранными из кольцевых рядов (колец), а на фиг. 12 ее фронтальная проекция, где позиция 13 - кольцевой ряд термоэлементов, позиция 14 - проставки между кольцами, позиция 15 токовыводные шины, коммутирующие два кольцевых ряда в параллель, позиция 16 - коммутационные шины запараллеливающие по два кольцевых ряда, позиция 17 - электоризоляционная керамическая втулка. Толщина ветви составляет 0,2…0,4 токовой высоты, т.е., ветви достаточно тонкие по отношению к высоте, а расстояние между кольцами, (толщина проставок), позиция 14 - 0,4-0,5 толщины ветви, т.е. достаточно большое.
Другим вариантом конструкции (фиг. 13-14), с наклонными ветвями является выполнение ряда термоэлементов в виде линейки: линейный ряд термоэлементов (фиг. 10). Из линейных рядов термоэлементов также собирается трубчатая термобатарея (фиг. 13-14).
Коммутация линеек в трубчатой ТБ выполняется по торцам линеек. ТТБ состоит из линейных рядов, позиция 18, электоризоляционных проставок 20, которые посредством высокотемпературных эмалей монолитизируют линейные ряды термоэлементов в трубчатую батарею, коммутационных шин 19.
Для трубчатых термобатарей, собранных их линейных рядов термоэлементов предпочтительно использование ветвей трапецеидальной формы для снижения плотности теплового потока со стороны тепловыделяющих (холодных) спаев. Это связано с проблемой съема тепла, особенно при больших удельных тепловых потоках. Трапецеидальная форма ветвей обеспечивает увеличенную площадь поперечного сечения по холодным наружным спаям и, соответственно, снижение удельного теплового потока.
В этом варианте заявляемой конструкции трубчатого модуля используются металлокерамические диффузионно сваренные узлы для коммутации ветвей термоэлементов, что позволяет собрать трубчатые батареи с паяными или диффузионно сваренными контактами, и при установке ТТБ в металлоконструкцию остаются только два прижимных (клеевых) контакта по шлифованной керамике горячей и холодной стороны, что также снижает термические сопротивления по направлению теплового потока.
Коммутационные шины в заявляемой конструкции выполняются в виде диффузионно сваренных пакетов из материалов, согласованных по КТР с керамикой и полупроводником, и токопроводящих слоев, например в виде триплексов вольфрам-медь-вольфрам, железо-медь-железо, ниобий-медь-ниобий, которые предварительно диффузионно варятся с металлизированной керамикой, а затем соединяются с ветвями термоэлементов термореактивной пайкой или диффузионной сваркой в виде линейных рядов из которых собирают трубчатую термобатарею.
На фиг. 15. показан вариант использования трубчатых батарей (ТТБ) с наклонными ветвями, установленными последовательно на горячем теплопроводе и скоммутированными в единую электрическую цепь, где позиция 21 трубчатая ТБ с наклонными ветвями, позиция 22 горячий теплопровод, позиция 23 геттер газопоглотитель, позиция 24, токовыводные провода, позиция 25 коммутационные шины между трубчатыми термобатареями, позиция 26 испарительная зона тепловой трубы для варианта подвода тепла к горячим спаям тепловыми трубами
На фиг. 16. показан вариант общего вида трубчатого термоэлектрического модуля в сборе с зачехленным блоком ТТБ, где позиция 27 блок трубчатых батарей (фиг. 15), позиция 28, верхний колпак с гермовводами и штенгелем для откачки, позиция 29 узел тепловой развязки между горячим теплопроводом и наружным чехлом, позиция 30 герметизирующий хвостовик, позиция 31 электроизоляционные керамические втулки холодной стороны, позиция 32 наружный герметизирующий чехол, позиция 33 демпфирующие проставки из слюды между трубчатыми электроизоляторами.
Тепловой поток распространяется вдоль ветви, а достаточно большие межэлементные зазоры за счет малой теплопроводности (на порядки меньше теплопроводности кристаллической структуры полупроводника) блокируют радиальный тепловой поток и практически все тепло проходит через термоэлектрический материал. КПД термоэлектрических преобразователей пропорционален перепаду температур на спаях.
2
Работает модуль следующим образом. Во внутренний теплопровод подается горячий теплоноситель. Подвод тепла может осуществляться либо посредством тепловых труб, зона испарения которых обогревается любым источником тепла, либо непосредственной подачей теплоносителя во внутреннюю полость внутреннего горячего теплопровода. Для низкотемпературных ТЭГ это может быть водяная тепловая труба, либо вода при температуре 330° и давлении 175 кГ/см подаваемая циркуляционным насосом. Для среднетемпературных - либо обогрев горелочными газовыми устройствами или жидкометаллическими теплоносителями, либо тепловыми трубами. Наружный теплопровод охлаждается либо забортной водой, либо естественной конвекцией воздуха с оребренных поверхностей наружного теплопровода. На спаях ветвей термоэлементов образуется перепад температур пропорциональный тепловому потоку и термическому сопротивлению ветви с увеличенной эффективной токовой длиной. Тепло поступающее к горячим спаям, проходит через ветви термоэлементов и за счет эффекта Зеебека, в перепаде температур, генерируется постоянный электрический ток.
При линейной конструкции рядов термоэлементов термобатареи могут собираться и в плоском исполнении для плоских панельных конструкций ТЭГ.
В компактной коаксиальной структуре токовая высота термоэлементов ограничена расстоянием между теплопроводами. А полезный перепад температур зависит от термического сопротивления того же термоэлемента.
В заявляемой конструкции эффективная токовая длина ветви в ограниченном межтрубном пространстве увеличена пропорционально углу наклона ветвей термоэлементов. Причем с увеличением угла наклона к аксиальной оси увеличивается эффективная токовая длина ветви, увеличивается теплоконтактная поверхность спаев, а поперечное сечение ветви пропорционально уменьшается и, следовательно, увеличивается термическое сопротивление ветви и перепад температур на спаях от которого зависят энергетические параметры ТЭГ. С увеличением угла наклона пропорционально увеличивается площадь токовых площадок для коммутации ветвей и, соответственно, снижается термическое и электрическое сопротивление контактов. Увеличению КПД преобразования способствует разнесение термоэлементов в трубчатой ТБ за счет снижения радиальных перетечек тепла через «толстые» теплоизоляционные зазоры между ветвями.