ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ БАТАРЕЯ

Изобретение относиться к электротехнике, а именно к термоэлектрическим приборам, и может быть использовано в устройствах холодильной техники, в системах электрохимической защиты газопроводов от разрушения в результате локальной коррозии, в автономных источниках электроэнергии.
В настоящее время достаточно актуальной задачей является разработка малогабаритных, высоконадежных, с высоким КПД автономных источников энергии. Использование принципа прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, например, в термомодулях, позволяет решать поставленную задачу.
Среди известных систем, использующих этот принцип с электрической мощностью до нескольких киловатт, длительным ресурсом (более десяти лет), высокой надежностью, автономностью в настоящее время обладают только системы с термоэлектрическими преобразователями, что делает их наиболее предпочтительными для использования в качестве автономных источников тока и тепла или источников холода.
Так, известна термоэлектрическая батарея [1], содержащая полупроводниковые ветви p- и n-проводимости, коммутационные шины, токоподводы, металлические теплопереходы и средство компенсации термоэлектрических напряжений, которое выполнено в виде расположенного между коммутационными шинами и теплопереходами слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала.
Недостатком известной термоэлектрической батареи является малый КПД.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту и обладающая более высоким КПД является батарея термоэлектрических элементов [2], выбранная в качестве прототипа.
Данное устройство включает в себя пленочные или пластинчатые, или рулонные полупроводниковые ветви с n- и p-типами проводимости и токосъемные устройства, снабжено внутренним электропроводящим слоем, преимущественно металлическим, с образованием биполярной системы, при этом полупроводниковые ветви с n- и p-типами проводимости нанесены на лицевые поверхности электропроводящего слоя, а на границах раздела «металл-полупроводник» образованы квазидвумерные структуры электрических зарядов. Термоэлектрический элемент может быть выполнен в виде ленты или пленки, преимущественно свернутой в рулон.
Биполярные термоэлектрические элементы соединены в батарею последовательным рулонным наложением с образованием многослойной структуры с чередующимися слоями. Между двумя последовательно сопрягаемыми термоэлементами размещают электропроводный слой из графитовой смазки или металлографитовых композитов. Соединение термоэлементов в батарею производится под высоким давлением, в специальной газовой среде, при этом осуществляемый контроль в процессе создания электрических параметров не достаточно точен. Полупроводниковые ветви могут быть изготовлены напылением, электрическим осаждением или ионной имплантацией.
Недостатками этой конструкции являются следующие. Малая механическая прочность и высокая хрупкость полупроводниковых ветвей, через каждую из которых передаются все нагрузки при изгибе, сжатии и растяжении. Такая термоэлектрическая батарея обладает малой прочностью и может разрушаться под действием вибрации и внешних нагрузок. Еще одним недостатком этой конструкции является сложная технология изготовления, обусловленная применением сложного чрезвычайно дорого технологического оборудования, дорогостоящих материалов и создание специальной газовой среды для обеспечения возможности создания термобатареей указанной в патенте конструкции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании недорогой, простой по конструкции и высокоэффективной термоэлектрической генераторной батареи, обладающей высокой механической прочностью, имеющей при этом высокую надежность при эксплуатации. При этом должно быть обеспечено достижение следующих технико-экономических результатов:
- улучшение технических и эксплуатационных характеристик;
- простота конструкции;
- удобство и высокая надежность при эксплуатации.
Сущность изобретения заключается в том, что термоэлектрическая генераторная батарея, 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, в отличие от прототипа, согласно изобретению, она снабжена телескопической рубашкой, выполненной в виде внешней и внутренней трубчатых оболочек, установленных одна в другой так, что между ними образована полость для размещения термомодулей, каждый из которых выполнен 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, выполненных из меди, размещенных вдоль разреза шайбы, параллельно соединяющих соседние термомодули так, что образуют последовательное соединение двух соседних пар термомодулей с возможностью образования единой электрической цепи.
Заявляемое техническое решение имеет существенные отличия от прототипа, т.е. отвечает критерию «новизна» и не следует явным образом из известного уровня техники, т.е. соответствует критерию «изобретательский уровень» и имеет применение в промышленности, т.е. характеризуется «промышленной применимостью».
Для лучшего понимания сущности заявляемого изобретения можно обращаться к следующим подробностям конструкции, поясняемым соответствующими чертежами, а именно:
- фиг.1 - общий вид (аксонометрическое изображение) термоэлектрической генераторной батареи;
- фиг.2 - термоэлектрическая генераторная батарея в разобранном виде (аксонометрическое изображение);
- фиг.3 - сечение термоэлектрической генераторной батареи по центральной геометрической оси;
- фиг.4 - сечение А-А по фиг.3
Термоэлектрическая генераторная батарея 1 содержит (см. фиг.1-4) термомодули 2 с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости (в данном случае 8 пар полупроводниковых ветвей) с внутренними электропроводящими соединениями ветвей, коммутирующие элементы 3 термомодулей 2 для их соединения между собой и токовводы 4.
Термоэлектрическая генераторная батарея 1 снабжена телескопической рубашкой 5, выполненной в виде внешней 6 и внутренней 7 трубчатых оболочек. Внешние 6 и внутренние 7 трубчатые оболочки установлены так, что между ними образована полость 8 для размещения термомодулей 2 (см. фиг.1-2).
Каждый из термомодулей 2 выполнен в виде разрезной шайбы 9. Разрезная шайба 9 составлена из полупроводниковых пар ветвей n- и p-типа, каждая из которых имеют форму дугообразно согнутого бруска 10 (см. фиг.3-4).
Внутренние электропроводящие соединения полупроводниковых ветвей выполнены в виде бимсовых ребер 11 и размещены на внешней 6 и внутренней 7 сторонах разрезной шайбы 9. Каждое бимсовое ребро 11 соединяет последовательно полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости (см. фиг.2).
Коммутирующие элементы 3 термомодулей 2 выполнены в виде парусообразных пластин 12, например, медных. Парусообразные пластины 12 размещены вдоль разреза шайбы 9 (в данном случае - число парусообразных пластин совпадает с числом пар полупроводниковых ветвей). Коммутирующие элементы 3 параллельно соединяют соседние термомодули 2 (см. фиг.1-2). Т.е. термоэлектрическая генераторная батарея составлена из 8-ми пар параллельно соединенных термомодулей 2, которые образуют последовательное соединение двух соседних пар термомодулей 2 с возможностью образования единой электрической цепи.
Выполнение ветвей термомодуля 2 в виде дугообразно согнутого бруска 10, а их соединений в виде бимсовых ребер 11, а также придание парусообразной формы элементам соединения термомодулей 2 позволило обеспечить повышение механической прочности заявляемой конструкции, причем одновременно с повышением механической прочности, обеспечено повышение надежности
электрической цепи, т.е. конструктивное решение позволило значительно повысить КПД устройства в целом.
Изготовлен опытный образец термоэлектрической генераторной батареи. В настоящее время идут подготовительные работы по выпуску серийных изделий.
Работу термоэлектрической генераторной батареи можно рассмотреть на следующем примере (см. фиг.1-4).
Пример: Термоэлектрическая генераторная батарея 1 устанавливается на источник тепла, имеющий цилиндрическую форму. С наружной стороны термоэлектрической генераторной батареи 1 устанавливается холодный радиатор.
Тепло от источника тепла поступает на внутренние электропроводящие соединения полупроводниковый ветвей - бимсовые ребра 11. Затем через бимсовые ребра 11 тепло поступает на термомодули 2, а от них к внешним электропроводящим соединениям полупроводниковых ветвей.
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 разрезных шайб 9 термоэлектрической генераторной батареи 1 возникает электрический ток, который через токовводы 4 подводится к потребителю в установленном режиме.
Из вышесказанного очевидны следующие преимущества предлагаемого термоэлектрической генераторной батареи:
- конструкция отличается компактностью повышенной прочностью и низкой стоимостью по сравнению с известными;
- неограниченный срок хранения при полной готовности к работе в любое время;
- не требует специального обслуживания;
- полностью бесшумна в работе ввиду отсутствия движущихся частей;
- длительный срок службы;
- улучшены технические характеристики.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ОПИСАНИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ:
1. Термоэлектрическая батарея.
35
35
02
32
Патент РФ №2142177, М. кл. H 01 L /, H 01 L /, 27.11.1999;
2. Термоэлектрический элемент, батарея термоэлектрических элементов и способ их изготовления.
35
35
35
02
28
34
Патент РФ №2010396, М. кл. H 01 L /, H 01 L /, H 01 L /, 30.03.1994 (ПРОТОТИП).