ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области приборостроения, а именно к прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую и может быть использована в качестве первой ступени энергогенерирующей установки как источник постоянного тока.
Известен термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус с расположенной в нем диэлектрической подложкой, на поверхности которой размещены пленочный резистивный нагреватель, термобатарея соединенных термопар, каждая из которых состоит из двух ветвей, горячего и холодного спаев, при этом горячие спаи находятся в тепловом контакте с нагревателем, а холодные - с корпусом, и частотно-зависимый корректирующий каскад, образованный конденсаторами и участком нагревателя, не имеющим теплового контакта с термопарами термобатареи, при этом преобразователь содержит дополнительный термопарный элемент, соединенный с термобатареей последовательно-встречно, разноименные спаи термопар которого находятся в тепловом контакте соответственно с корпусом и входящим в состав корректирующего каскада участком нагревателя (SU, №1475425 А1, МПК - H01L 35/32 (1995.01), опубл. 23.09.1990 г.)
Известный преобразователь характеризуется невысокой удельной мощностью и низким КПД вследствие невысокой разности граничных температур ветви термопары из-за значительного внутреннего сопротивление термопар.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является термоэлектрический преобразователь, содержащий термобатарею, образованную слоем последовательно соединенных термопар, каждая из которых состоит из двух ветвей из разнородных токопроводящих материалов, при этом термопара выполнена в виде трехслойной панели с наложенными друг на друга слоями горячего спая (теплопередающий элемент), ветвей и холодного спая, спаи расположены по всей поверхности пары ветвей, которые выполнены длиной, равной толщине слоя и разделены теплоэлектроизоляционным элементом в виде вставки, а холодный спай каждой термопары разделен на две части теплоэлектроизоляционным элементом с образованием токосъемников (RU, №2131156 С1, МПК - H01L 35/32 (1995.01), опубл. 27.05.1999 г.).
Известное устройство не обеспечивает достижение требуемого технического результата по следующим причинам.
Преобразователь имеет малую удельную мощность, обусловленную невысокой ЭДС термопары, и требует для достижения высокого КПД большого количества термопар, и как следствие значительной материалоемкости устройства.
-9
-12
Это объясняется рассеянной подачей тепла ко всей поверхности термопары, что обусловлено выполнением теплопередающего элемента в виде слоя, представляющего собой, например металлическую пленку. Кроме этого, площади контакта поверхностей термопары с горячим спаем (теплопередающим элементом) и с холодным спаем (теплоотводящей поверхности) имеют примерно равную величину, что способствует возникновению низкой разности граничных температур ветви термопары, которая обуславливается в основном только за счет коэффициента теплопроводности материалов ветвей термопары. Использование такой конструкции устройства обеспечивает возникновение ЭДС с невысоком значением, например для металлических термопар порядка 10-10 В.
В результате преобразователь имеет малую удельную мощность, обусловленную невысокой ЭДС термопары, и требует дм достижения высокого КПД большого количества термопар, и как следствие значительной материалоемкости устройства.
В основу полезной модели поставлена задача усовершенствования термоэлектрического преобразователя, в котором за счет конструктивных особенностей обеспечивается ориентированно-сосредоточенная подача тепла к месту соединения ветвей термопары и интенсивный отвод тепла, что приводит к повышению разности граничных температур ветви термопары в месте соединения ветвей термопары и месте соединения термопар, обеспечивая повышение ЭДС термопары, что приводит к повышению удельной мощности преобразователя с сохранением высокого КПД при снижении материалоемкости преобразователя.
Поставленная задача решается тем, что в термоэлектрическом преобразователе, содержащем, по меньшей мере, одну термобатарею, образованную электрически соединенными термопарами, каждая из которых состоит из двух ветвей из разнородных токопроводящих материалов, снабженную теплоэлектроизоляционным элементом и, по меньшей мере, одним теплопередающим элементом, и токосъемники, согласно полезной модели теплоэлектроизоляционный элемент выполнен в виде слоя, расположенного на поверхности термобатареи со стороны подвода тепла от теплоносителя, из материала с коэффициентом теплопроводности ниже меньшего коэффициента теплопроводности материала ветвей термопары, а теплопередающий элемент, выполненный из материала с коэффициентом теплопроводности, превышающим больший коэффициент теплопроводности материала ветвей термопар и удельным электросопротивлением, равным, по крайней мере, удельному электросопротивлению материала токосъемников, размещен в теплоэлектроизоляционном слое с возможностью теплового контакта с теплоносителем и контактом с поверхностью ветвей каждой термопары в местах соединения ветвей, при этом токосъемники подсоединены к свободным торцам термобатареи.
Целесообразно на поверхности термобатареи со стороны отвода тепла размещение теплопроводящего электроизоляционного слоя из материала с коэффициентом теплопроводности, превышающим больший коэффициент теплопроводности материала ветвей термопар.
Целесообразно с внешней стороны теплоэлектроизолятдионного слоя расположение защитного теплопроводящего слоя в виде пленки из оксида алюминия.
Целесообразно при параллельном соединении термопар и/или термобатарей расположение между ними теплоотводящего теплоносителя.
Выполнение теплоэлектроизоляционного элемента в виде слоя, расположенного на поверхности термобатареи со стороны подвода тепла от теплоносителя и расположение в теплоэлектроизоляционном слое теплопередающего элемента, коэффициент теплопроводности которого выше коэффициента теплопроводности теплоэлектроизоляционного элемента, с возможностью теплового контакта с теплоносителем позволяет сконцентрировать и ориентировать подачу тепла по теплопередающим элементам.
Выполнение теплопередающих элементов и их размещение с контактом с поверхностью ветвей каждой термопары в местах соединения ветвей позволяет направить сконцентрированный поток тепла к местам соединений ветвей каждой термопары (учитывая, что к местам соединения термопар тепло не направляется), что приводит к повышению разности граничных температур ветви термопары. Кроме того, площадь отвода тепла с поверхности термопар значительно больше площади теплопередающих элементов в местах их контактов с поверхностями ветвей термопар, что способствует интенсивному отводу тепла. Данные особенности в совокупности приводят к возникновению высокой разности граничных температур ветви термопары, и, как следствие, к возникновению высокой ЭДС термопары, повышению удельной мощности преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен термоэлектрический преобразователь с одной термобатареей; на фиг. 2 - термоэлектрический преобразователь с несколькими термобатареями при параллельном их соединении.
Термоэлектрический преобразователь содержит термобатарею 1, образованную электрически соединенными термопарами 2, каждая из которых состоит из двух ветвей 3 из разнородных токопроводящих материалов, например из хромеля с коэффициентом теплопроводности λ=17,6 Вт/м*К и копеля с λ=24, 6 Вт/м*К. Термобатарея 1 снабжена теплоэлектроизоляционным элементом, выполненным в виде слоя 4, расположенного на поверхности термобатареи 1 со стороны подвода тепла от теплоносителя, из материала с коэффициентом теплопроводности ниже меньшего коэффициента теплопроводности материала ветвей 3 термопары 2, например, гетинакса с λ=0,147 Вт/м*К.
В теплоэлектроизоляционном слое 4 размещены теплопередающие элементы 5 с возможностью теплового контакта с теплоносителем и контактом с поверхностью ветвей 3 каждой термопары 2 в местах соединения ветвей 3. Теплопередающий элемент 5 выполнен из материала с коэффициентом теплопроводности, превышающим больший коэффициент теплопроводности материала ветвей 3 термопар 2, например из меди с λ=385 Вт/м*К и удельным электросопротивлением, равным, по крайней мере, удельному электросопротивлению материалов токосъемников 6. Токосъемники выполнены из материала с малым удельным электрическим сопротивлением, например из меди и подсоединены к свободным торцам термобатареи 1.
На поверхности термобатареи 1 со стороны отвода тепла размещен теплопроводящий электроизоляционный слой 7 (фиг. 1) из материала с коэффициентом теплопроводности, превышающим больший коэффициент теплопроводности материала ветвей 3 термопар 2, например из оксида алюминия с λ=40 Вт/м*К.
С внешней стороны теплоэлектроизоляционного слоя 4 расположен защитный теплопроводящий слой 8 в виде пленки из оксида алюминия.
При параллельном соединении термобатарей 1 (фиг. 2) между ними расположен теплоотводящий теплоноситель 9.
Устройство работает следующим образом.
При подаче теплоносителя, например горячего пара, поверхность теплоэлектроизоляционного слоя 4 и торцы теплопередающих элементов 5, расположенных в теплоэлектроизоляционном слое 4, подвергаются тепловому контакту с теплоносителем. При параллельном соединении термобатарей (фиг. 2), ввиду выполнения защитного слоя 8 теплопроводящим, теплопередающие элементы 5 также испытывают тепловой контакт с теплоносителем.
Сконцентрированный тепловой поток передается по теплопередающим элементам 5, размещенным с контактом с поверхностью ветвей 3 каждой термопары 2, к местах соединения ветвей 3. Благодаря тому, что коэффициент теплопроводности теплопередающего элемента 5 выше коэффициента теплопроводности теплоэлектроизоляционного слоя 4, плотность теплового потока, проходящего через теплопередающий элемент 5, значительно превышает плотность теплового потока, проходящего через теплоэлектризоляционный слой 4, чем и обеспечивается ориентированно-сосредоточенная подача тепла к месту соединения ветвей 3 термопары 2.
Проходя через ветви 3 термопар 2 тепловой поток рассеивается по поверхности термопар, и отводится с поверхности термобатареи 1 через теплопроводящий электроизоляционный слой 7 (фиг. 1) с λ=40 Вт/м*К. Поскольку площадь отвода тепла с поверхности термопар 2 значительно больше площади теплопередающих элементов 5 в местах их контактов с поверхностями ветвей 3 термопар 2 осуществляется интенсивный отвод тепла. Теплоотводящий теплоноситель 9 между термобатареями 1 (фиг. 2) способствует рассеиванию тепла и охлаждению поверхности термопар, что не требует размещения теплопроводящего электроизоляционного слоя 7 на поверхности термобатареи со стороны отвода тепла.
-2
-4
В результате разность граничных температур ветви 3 термопары 2 в месте соединения ветвей 3 термопары 2 и месте соединения термопар 2 достигает высоких величин, обеспечивая повышение ЭДС термопары (для металлических термопар порядка 10-10 В), что приводит к повышению удельной мощности преобразователя с сохранением высокого КПД, по сравнению с ближайшим аналогом.
Возникающая ЭДС аккумулируется в токосъемниках 6, подсоединенных к свободным торцам термобатареи 1.
Возникновение высокого ЭДС в термопаре обеспечивает достижение высокого КПД, при снижении материалоемкости преобразователя.