Результат интеллектуальной деятельности: Компактный термоэлектрический генератор

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую при отсутствии источников электроснабжения.

Известен термоэлектрический преобразователь термоэмиссионной системы электроснабжения здания, состоящий из прямоугольного полого корпуса, выполненного из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, армированного контурной арматурой, между крышкой и днищем которого имеется замкнутая воздушная полость, контурная арматура состоит из элементов, представляющих собой парные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2 и спаянные на концах между собой, образующие зигзагообразные ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части проволочных отрезков со спаянными концами согнуты под углом 90º и располагаются в слоях материала-диэлектрика крышки и днища параллельно их поверхности, не касаясь ее, а средние части парных проволочных отрезков расположены в воздушной полости, крайние проволочные отрезки крайних зигзагообразных рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором [Патент РФ №2499107, МКП E04 C2/26, 2013].

Основным недостатком известного термоэлектрического преобразователя термоэмиссионной системы электроснабжения здания является зигзагообразная компоновка термоэмиссионных элементов с изгибом их спаев под углом 90º, обусловленное этим малое количество термоэмиссионных элементов на единице его площади и низкая удельная производительность по выработке термоэлектричества, что снижает его эффективность.

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является универсальный термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, изнутри армированный контурной арматурой, которая состоит из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды, устроенные таким образом, что левые и правые части спаянных концов проволочных отрезков со спаянными концами располагаются в слоях материала-диэлектрика параллельных ребер параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса, ряды соединены между собой перемычками, крайние проволочные отрезки крайних рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов, которые, в свою очередь, соединены с электрическим аккумулятором, причем в пазах между ребрами размещена решетка, состоящая из рамки с продольными полосами, зеркально отражающая пазы корпуса, выполненная из материала с высокой теплопроводностью [Патент РФ №2575769, МКП Н01 L35/02, 2016].

Основными недостатками известного универсального термоэлектрического преобразователя являются высокий расход металлов М1 и М2 для изготовления термоэмиссионных элементов, определяющий значительный вес устройства, сложность их изготовления, обусловленная необходимостью заготовки проволочных отрезков, сплющивания и спайки их концов, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности, которое заключается в том, что конструкция компактного термоэлектрического генератора обеспечивает значительное снижение расхода металлов М1 и М2 на изготовление термоэмиссионных элементов, упрощает изготовление и снижает вес устройства.

Технический результат достигается компактным термоэлектрическим генератором, содержащим корпус, закрытый съемной крышкой, выполненной, как и корпус, из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, при этом корпус снабжен с торца отверстием и жестко соединен с гайкой, в которой расположен прижимной болт, съемная крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса по порядку, начиная от торца с прижимным болтом, расположены прижимная плита, выполненная из прочного диэлектрического материала, и установленные параллельно ей пластины, выполненные из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности каждой пары пластин поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2 таким образом, чтобы верхний короткий конец буквы Г одной пластины был прижат к нижнему концу длинной стороны этой буквы следующей пластины, образуя термоэмиссионный элемент, каждый из которых ен между собой таким же образом, образуя термоэлектрическую секцию, причем при закрытии корпуса съемной крышкой нижние концы полюсных коллекторов прижимаются к верхним концам крайних термоэмиссионных элементов, плотное соединение верхних и нижних стыков которых достигается вращением прижимного болта, перемещающего прижимную плиту, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса и прижимной плитой.

На фиг. 1-5 представлен предлагаемый компактный термоэлектрический генератор (КТЭГ): на фиг. 1, 2 - общий вид и разрез КТЭГ, на фиг. 3 - узел стыковки термоэмиссионных преобразователей (ТЭП), на фиг.4, 5 - устройство термоэмиссионного преобразователя.

Предлагаемый компактный термоэлектрический генератор (КТЭГ) содержит корпус 1, закрытый съемной крышкой 2, выполненной, как и корпус, из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, корпус 1 снабжен с торца отверстием 3 и жестко соединен с гайкой 4, в которой расположен прижимной болт 5, съемная крышка 2 снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами 6, 7 внутри корпуса 1 по порядку, начиная от торца с прижимным болтом 5, расположены прижимная плита 8, выполненная из прочного диэлектрического материала, и установленные параллельно ей пластины 9, выполненные из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности каждой пары пластин 9 поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2 таким образом, чтобы верхний короткий конец буквы Г одной пластины 9 был прижат к нижнему концу длинной стороны этой буквы следующей пластины 9, образуя термоэмиссионный элемент (ТЭЭ) 10, которые соединены между собой таким же образом, образуя термоэлектрическую секцию ТЭС 11 ТЭГ (такая конструкция ТЭЭ 10 принята для того, чтобы снизить расход металлов М1 и М2, увеличить поверхность теплопередачи, уменьшить толщину элементов ТЭЭ 10 и, таким образом, интенсифицировать скорость их нагрева и охлаждения), причем при закрытии корпуса 1 крышкой 2 нижние концы полюсных коллекторов 6, 7 прижимаются к верхним концам крайних ТЭЭ 10, а плотное соединение верхних и нижних стыков ТЭЭ 10 ТЭС 11 достигается вращением прижимного болта 5, перемещающего прижимную плиту 8, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса 1 и прижимной плитой 8 (на фиг. 1-5 не показан).

В основу работы предлагаемого КТЭГ положено следующее. Так как ряд ТЭС 11 состоят из отдельных термоэмиссионных элементов (ТЭЭ) 10, выполненных из парных пластин 9, поочередно покрытых Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2, соединенными между собой, то при нагреве (охлаждении) одних концов пластин 9 ТЭП 10 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им концов, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта металлов М1 и М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в ряду ТЭС 11 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. – М.: Наука, 1970, с. 502-506].

Перед началом работы КТЭГ корпус 1 закрывают крышкой 2 таким образом, чтобы нижние концы полюсных коллекторов 6, 7 были надежно прижаты к верхним концам крайних ТЭЭ 10, что достигается замковым соединением корпуса 1 и крышки 2 (на фиг. 1-5 не показан), и обеспечивают плотное соединение верхних и нижних стыков ТЭП 10 в ряду ТЭС 11 вращением прижимного болта 5, перемещающего прижимную плиту 8, прижимающей пластины 9 и, соответственно, ТЭЭ 10 друг к другу, или установкой упругого элемента в пространстве между торцом корпуса 1 и прижимной плитой 8 (на фиг. 1-–5 не показан).

КТЭГ работает следующим образом. При соприкосновении днища корпуса 1 с холодной средой, а крышки 2 противоположной стороны с горячей средой (или наоборот) концы термоэмиссионных элементов 10 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны нагреваются, на них устанавливаются разные температуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к холодной по пластинам 9 и фольге металлов М1 и М2. При этом одновременно с процессом теплопередачи в результате разности температур охлажденных и нагретых концов ТЭС 10 в ряду ТЭС 11 появляется термоэлектричество, которое через однополюсные коллекторы электрических зарядов 6 и 7 поступает в преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1-5 не показаны) и откуда подается потребителю. При этом, если требуется большая мощность электричества, используются несколько КТЭГ, соединенных последовательно или параллельно.

Величина разности электрического потенциала на коллекторах 6 и 7 и сила электрического тока зависят от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлена их фольга, и ее толщины, числа ТЭЭ 10 в ряду ТЭС 11 и их числа КТЭГ, разности температур на противоположных концах ТЭЭ 10. Полученный электрический ток из одиночного КТЭГ можно использовать для подзарядки гаджетов - мобильных телефонов, айфонов, плэйеров и тому подобных устройств, в условиях отсутствия электроснабжения (например, при кипячении воды на костре, поместив его на дно емкости с подогреваемой водой или положив его на освещаемый солнцем участок льда или снега). При компоновке множества КТЭГ в одну теплообменную поверхность, полученный электрический ток можно использовать для самых различных целей (освещения зданий, горячего водоснабжения, зарядки автомобильных аккумуляторов, электроснабжения космических и подводных аппаратов и пр.) при условии наличия сред или поверхностей с различными температурами.

Таким образом, предлагаемое изобретение в результате использования термоэмиссионных элементов, изготовленных из пластин, выполненных из диэлектрического материала с высокой теплопроводностью, поверхности которых поочередно покрыты Г-образно полосами фольги разных металлов М1 и М2, наряду с получением электрической энергии обеспечивает значительное снижение расхода металлов М1, М2, соответственно снижение веса и упрощение конструкции, что увеличивает эффективность компактного термоэлектрического генератора.