АВТОНОМНЫЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИСТОЧНИК ТОКА

Изобретение относиться к области создания термоэлектрических источников электроэнергии, основанных на эффекте Зеебека, а именно, к автономным малогабаритным термоэлектрическим источникам постоянного тока, предназначенным для использования в качестве источника электроэнергии малой мощности для автономного питания различных устройств (средств связи, аккумуляторов, бытовой радиотелеаппаратуры), находящихся в труднодоступных и отдаленных районах Земли, для которых характерны сложные и неустойчивые метеоусловия с резкими перепадами тепла и холода, повышенной влажностью или чрезмерной сухостью, магнитными бурями.
Для таких сложных условий требуется автономный источник тока с особыми прочностными механическими и температурными качествами, обеспечивающими его бесперебойную надежную работу, а также имеющего небольшие габариты и вес для удобства его транспортирования, например, в рюкзаке человека-спасателя.
Создание такого автономного малогабаритного источника тока является достаточно актуальной задачей в настоящее время, поскольку широко известные автономные термоэлектрические источники тока различных конструкций, как правило, обладают высокими весогабаритными характеристиками и недостаточно надежны при работе в экстремальных условиях (работают с перебоями, быстро выходят из строя).
35
00
Так, известно устройство для электропитания (Патент РФ №2166223, публ. 2001.04.27, М. кл. Н 01 L /), предназначенное для аварийного электропитания объектов сельскохозяйственного производства и
содержащее термодатчик в виде термоэлектрической батареи, токосъемную колодку, проводники и аккумулятор холода. Корпус устройства имеет внутреннюю перегородку, разделяющую объем на две части. В одной части размещены камера сгорания и горячие спаи термодатчика. В другой части находятся холодные спаи термодатчика, охлаждаемые воздухом и водой из водоледяного аккумулятора.
Недостатком этого устройства является недостаточно высокая надежность в эксплуатации, поскольку конструкция не обеспечивает равномерного и интенсивного нагрева горячих спаев термоэлектрической батареи и необходимого охлаждения ее холодных спаев. Устройство имеет большие габариты и вес.
35
02
Также известен термоэлектрический генератор (авт. св. СССР №439252, М. кл. H 01 L /, публ. 05.08.78, бюл. №29), содержащий термоэлектрический модуль, горелочное устройство и систему теплосброса в виде рубашки охлаждения и радиаторов. Устройство снабжено турбулизатором, выполненным в виде проволочной спирали, размещенной между чехлом и рубашкой охлаждения. За счет этого улучшаются условия переноса тепла к обогреваемому помещению, но получить приемлемой величины ток в этом устройстве невозможно, поскольку нерешенной является проблема создания больших градиентов температур между горячими и холодными спаями термомодуля.
21
02
Известно устройство для производства тепловой и электрической энергии (Патент РФ №2224190, М. кл. F 25 B /, публ. 2004.02.20), содержащее горелку, теплоприемники, теплоэлектрические батареи, систему теплоотвода и силовую раму. В этом устройстве решена задача улучшения теплоотвода при использовании тепла продуктов сгорания путем создания конструктивно сложной и массивной системы теплоотвода, состоящей из двух частей.
При этом не решены проблемы повышения надежности, исключения громоздкости и высокого веса, неудобства транспортирования устройства, что создает значительные трудности при его использовании в экстремальных условиях.
03
08
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую, являющийся одним из узлов теплоэлектрогенератора, известного по патенту РФ №2099642 (М. кл. F 24 D /, опубликованный 1997.12.20).
Термоэлектрический преобразователь тепловой энергии в электрическую представляет собой термоэлектрические батареи, у которых «горячая» сторона соединена с конденсационной частью термосифона, «холодная» сторона соединена с теплообменником, а электрическая энергия выводится через электрический вывод.
Вес теплоэлектрогенератора составляет 150 кг, он размещен в конструктиве с габаритами 500×500×2000 мм (без системы утилизации тепла). Такой конструкции теплоэлектрогенераторы устанавливают вдоль магистрального трубопровода на достаточных расстояниях в труднодоступных местах Крайнего Севера и это обеспечивает бесперебойное тепло и электроснабжение катодной защиты и значительно сокращает расходы на транспортировку для профилактики и ремонта.
При этом, в силу конструктивных особенностей, заключающихся в том, что тепловая энергия поступает только на ограниченную внутреннюю поверхность, данная известная конструкция не обладает достаточно высокими прочностными характеристиками, что снижает ее надежность при эксплуатации в экстремальных условиях и ведет к быстрому выходу из строя. Поскольку устройство является тяжелым (150 кг), для его перемещения требуется транспорт, что в экстремальных условиях создает неудобства в эксплуатации.
Технической задачей заявляемого объекта защиты являлось создание конструктивно оригинального малогабаритного термоэлектрического источника тока, конструкция которого отличалась бы от известных более высокими прочностными качествами (особенно более высокой термостойкостью), небольшими габаритами и весом для удобства транспортирования, например, в рюкзаке, а также высокой надежностью в экстремальных условиях.
При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- высокая надежность;
- возможность эксплуатации в экстремальных условиях;
- высокая степень защиты от аварийных ситуаций при эксплуатации в экстремальных условиях;
- длительный безаварийный срок службы.
Предлагается автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока, содержащий установленную в корпусе частично заполненную жидким теплоносителем гравитационную тепловую трубу, имеющую нижнюю испарительную часть с теплоприемными оребренными трубками, размещенными в зоне нагрева теплоносителя, а также среднюю транспортную часть с зоной переноса теплоносителя и верхнюю конденсационную часть с зоной охлаждения теплоносителя, с размещенной на ее поверхности термоэлектрической батареи, имеющей электрические соединения, подведенные к разъему для подключения потребителя, при этом между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью термоэлектрической батареи выполнен трубчатый канал для циркуляции охлаждающей жидкости.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что устройство снабжено закрепленной между втулочной соединительной муфтой и конической концевой муфтой центральной опорной полой колонной, установленной под нижним концом средней транспортной части гравитационной тепловой трубы, а упомянутый конец этой трубы жестко соединен со свободной стороной соединительного отверстия втулочной соединительной муфты, на боковой поверхности которой закреплен дополнительно введенный основной режекторный экран, имеющий форму плоского диска с центральным посадочным отверстием, а над ним размещены дополнительные теплорассеивающие режекторные пластинчатые экраны, закрепленные на стержнях, консольно соединенных с дном корпуса, расположенным над упомянутыми экранами, при этом
теплоприемные трубки выполнены в виде арок, ротондообразно размещенных вокруг упомянутой центральной колонны и соединенных верхними и нижними концами со сквозными отверстиями в боковых поверхностях соответствующих муфт, причем оребрение на теплоприемных трубках выполнено в нанизанных на них шайб.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготовлено и прошло опытные испытания (см. фиг.5, 6).
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока (общий вид);
- фиг.2 - то же, верхняя часть в сечении;
- фиг.3 - то же, нижняя часть в сечении;
- фиг.4 - то же, структурная схема работы;
- фиг.5 - испытания автономного малогабаритного термоэлектрического источника тока, ();
- фиг.6 - фотография автономного термоэлектрического источника тока (вид спереди).
Заявляемый автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока 1 содержит (см. фиг.1-6) установленную в корпусе 2 частично заполненную теплоносителем, например, водой, гравитационную тепловую трубу 3, имеющую нижнюю испарительную часть 4 с теплоприемными оребренными трубками 5 (фиг.1, 3), размещенными в зоне нагрева теплоносителя; среднюю транспортную часть 6 с зоной переноса теплоносителя и верхнюю конденсационную часть 7 с зоной охлаждения (конденсации) теплоносителя,
на поверхности которой размещена термоэлектрическая батарея 8, имеющая электрические соединения 9, подведенные к разъему 10 для подключения потребителя. Между внутренней стенкой корпуса 2 и термоэлектрической батареей выполнен трубчатый канал 12 для циркуляции охлаждающей жидкости поступающей в него через входной патрубок 13 и вытекающая через выходной патрубок 14. Патрубки 13 и 14 установлены в верхней части корпуса 2 (фиг.2).
Автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока 1 снабжен (фиг.1, 3) закрепленной между втулочной соединительной муфтой 15 и конической концевой муфтой 16 центральной опорой полой колонной 17, установленной под нижним концом средней теплопереносящей части 6 гравитационной тепловой трубы 3, а упомянутый конец 6 этой трубы 3 жестко соединен со свободной стороной осевого отверстия втулочной соединительной муфты 15. Втулочная соединительная муфта 15 имеет фигурную боковую внешнюю поверхность, выполненную из цилиндрической верхней части и конической нижней части. На боковой цилиндрической поверхности муфты 15 закреплен дополнительно введенный в конструкцию основной режекторный экран 21, имеющий форму плоского диска с центральным посадочным отверстием, а над ним размещены дополнительно введенные вспомогательные режекторные экраны 23 (фиг.1), закрепленные на стержнях 24, консольно соединенных с дном 25 корпуса 2. Теплоприемные трубки 5 (фиг.1, 3) выполнены в виде арок, которые ротондообразно размещены вокруг упомянутой центральной опорной колонны 17 (фиг.6), при этом теплоприемные трубки 5 своими верхними и нижними концами соединены соответственно со сквозными отверстиями, выполненными в конических боковых поверхностях втулочной соединительной муфты 15 и конической концевой муфты 16. Тепловая труба 3 является бесфитильной гравитационной двухфазной испарительной закрытой вакуумированной.
Оребрение теплоприемных трубок 5 выполнено в виде нанизанных на них шайб 20. Заправка тепловой трубы 3 жидким теплоносителем осуществляется посредством ниппеля 18. Вышеописанная составная
конструкция испарительной части тепловой трубы 3 позволяет повысить прочностные характеристики всей заявляемой конструкции, поскольку испарительная часть тепловой трубы представляет собой сборный армирующий остов (т.е. каркасную структуру), воспринимающую основные нагрузки и обеспечивающий прочность, термостойкость и устойчивость конструкции в целом. Одновременно этой конструкцией обеспечено увеличение общей площади теплопринимающей поверхности за счет оригинально выполненной конструкции испарительной части.
Благодаря такой конструкции повышается эффективность поглощения тепла и равномерная интенсивность нагрева и испарения жидкого теплоносителя, что обеспечивает равномерную и надежную работу устройства и повышает эффективность использования тепловой энергии, за счет чего обеспечивается высокая эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.
Дополнительно введенные в заявляемую конструкцию устройства основной и дополнительные режекторные экраны 21 и 23 разделяют испарительную часть от конденсационной части тепловой трубы и позволяют исключить влияние теплового потока воздуха на нижнюю часть 25 корпуса 2. За счет этого обеспечивается возможность стабильно получать электрическую энергию с качественными характеристиками, и исключить перегрев внешней поверхности корпуса.
Изготовленный автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока обладает следующими техническими характеристиками:
Выходная электрическая мощность, Вт - 60
Напряжение на выходе, В - 12
Габаритные размеры, мм:
диаметр - 180
длина 760
Масса, кг - 20
Срок службы, лет - 10
Заявляемое устройство обладает такими достаточно уникальными качествами как полная автономность, высокая надежность, простота
эксплуатации, долговечность, малогабаритность, высокие энерговесовые характеристики.
Работает заявляемое устройство следующим образом (см. фиг.4, 5). Автономный малогабаритный источник тока 1 устанавливают вертикально с опорой основным режекторным экраном на держатель, установленный над источником тепла, например, пламенем костра (см. фиг.5). Языки пламени костра, проникая в промежутки между всеми элементами нижней части тепловой трубы, обеспечивают равномерно распределенное максимально возможное поглощение тепла этой частью конструкции, вызывая ее нагрев, нагрев вызывает испарение жидкого теплоносителя, образующийся пар поглощает теплоту, а затем перемещается вверх и конденсируясь в верхней части тепловой трубы, отдает ее. Тепловой поток нагревает горячие стороны термоэлектрической батареи 8, а циркулирующая в канале 12 холодная вода охлаждает холодные стороны термобатареи 8. Возникающий при этом электрический ток через электрические соединения подается к разъему 10 для подключения потребителя электроэнергии.
Заявляемая конструкция автономного малогабаритного термоэлектрического источника тока обладает следующими техническими преимуществами по сравнению с известными конструкциями:
- улучшенными техническими и эксплуатационными характеристиками;
- высокой надежностью эксплуатации в широком диапазоне климатических условий;
- удобством транспортирования вследствие небольших габаритов и веса;
- длительным безаварийным сроком службы.