Термоелектричний напівпровідниковий елемент для термогенераторів

1. Термоелектричний напівпровідниковий елемент для термогенераторів, який складається з двох гілок р- і n-типу провідності, що мають пористу структуру або пронизані каналами, комутаційних пластин, розташованих на гарячих і холодних торцях гілок, який відрізняється тим, що внутрішні поверхні або об'єми пор і каналів містять каталітичні речовини, активні в реакціях каталітичного безполум'яного окиснення горючих газів, а комутаційні пластини мають отвори для проходження газів. 2. Термоелектричний напівпровідниковий елемент для термогенераторів за п. 1, який відрізняється тим, що каталітичні речовини, активні у реакціях безполум'яного окиснення горючих газів, нанесені U 2 (19) 1 3 Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є термоелемент [3], який містить пористі вітки р- і n- типів з'єднані комутаційними пластинами, виготовлені у вигляді сітки. Горюча суміш надходить з однієї торцевої сторони термоелемента, проходить повздовж бокових сторін до протилежної сторони і на ній згоряє. Внаслідок цього між торцевими сторонами термоелементу створюється різниця температур і генерується струм. Як і в попередньому варіанті теплова енергія згоряння палива поглинається торцевою поверхнею лише частково. Наслідком цього є низька ефективність такого термоелемента. Тому актуальним є створення термоелектричних напівпровідникових елементів з порами або каналами, які мають підвищену ефективність перетворення теплової енергії в електричну і є безпечними при експлуатації термоелектричних приладів, що використовують для роботи тепло згоряння органічних палив. Вказане завдання розв'язується тим, що у термоелектричному напівпровідниковому елементі для термогенераторів, який складається з двох гілок р- і n- типу провідності, що мають пористу структуру або пронизані каналами, комутаційних пластин, розташованих на гарячих і холодних торцях гілок, внутрішні поверхні або об'єми пор і каналів містять каталітичні речовини, активні в реакціях каталітичного безполум'яного окиснення горючих газів, а комутаційні пластини мають отвори для проходження газів. Відповідність критерію «новизна» запропонованому пристрою забезпечує та обставина, що заявлена сукупність ознак не міститься ні в одному з об'єктів існуючого рівня техніки. У корисній моделі запропоноване нове рішення, яке полягає в тому, що у термоелектричному напівпровідниковому елементі для термогенераторів, який складається з двох гілок р- і n- типу провідності, що мають пористу структуру або пронизані каналами, комутаційних пластин, розташованих на гарячих і холодних торцях гілок, внутрішні поверхні або об'єми пор і каналів містять каталітичні речовини, активні в реакціях каталітичного безполум'яного окиснення горючих газів, а комутаційні пластини мають отвори для проходження газів. Тому ознака, яка не зустрічається ні в одному з аналогів - внутрішні поверхні або об'єми пор і каналів містять каталітичні речовини, активні в реакціях каталітичного безполум'яного окиснення горючих газів, а комутаційні пластини мають отвори для проходження газів - забезпечує заявленому термоелектричному елементу необхідний «винахідницький рівень». Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівної та електронної промисловості. Суть запропонованого термоелемента пояснюється малюнками. На фіг.1, 2 наведено вертикальний переріз 3 варіантів термоелектричних елементів для термогенераторів. 59582 4 Термоелемент (фіг.1, а, б) складається з гілок n- і р- типу провідності 1, 2 відповідно, кожна з яких має вертикальні канали 3. На внутрішню поверхню каналів 3 (фіг.1, а) тонким шаром нанесено каталітичні речовини 4, активні у реакціях безполум'яного окиснення горючих газів або парів рідкого палива. У варіанті, наведеному на фіг.1, б, канали заповнені гранулами каталізатора, які містять пористий носій на основі алюмосилікатів з нанесеними на його поверхню каталітично активними речовинами. На фіг.2 наведено термоелектричний елемент, р- і n- вітки якого мають пористу структуру. На внутрішні поверхні пор нанесено каталітичні речовини, активні в реакціях окиснення органічних палив. За каталітично активні речовини використано Pt, Pd або оксиди металів змінної валентності Co, Ni, Cr, Fe, промотовані невеликими добавками Pt або Pd. Нанесення активної речовини на внутрішні поверхні пор або каналів та на алюмосилікатний носій здійснюється відомими методами, наприклад, просочуванням пористих структур розчинами солей металів змінної валентності і Pt або Pd з наступною термічною обробкою для отримання активних оксидних структур на поверхнях матеріалів [4]. В усіх наведених вище варіантах термоелементів концентрація каталітично активних речовин, розташованих на внутрішніх поверхнях і в об'ємах пор і каналів зменшується неперервно або дискретно до нуля у напрямку від холодної до гарячої сторони термоелемента. Комутація гілок на холодній і гарячій стороні термоелемента здійснена металевими пластинами 5 і 6, кожна з яких на ділянках контакту з торцями гілок n- і р- типів має отвори 7, які співпадають з вхідними і вихідними отворами каналів 3 відповідно на холодній і гарячій сторонах термоелементу. При цьому діаметр отворів 7 у комутаційних пластинах 5 і 6 дорівнює діаметру каналів 3. Для попередження виходу потоку газу з термоелемента через бокові сторони гілок на них нанесено герметичне тепло- та ізоляційне покриття 8. Працює напівпровідниковий елемент наступним чином. Суміш горючого газу або парів рідкого палива з повітрям надходить до холодної сторони термоелемента і через отвори у комутації проникає у пори або канали гілок. Проходження горючої суміші через канали або пори, які містять каталітично активні речовини, призводить до безполум'яного каталітичного окиснення палива і виділення тепла, яке поглинається об'ємом термоелектричного матеріалу. Отже за умови згоряння палива у каналах або порах каталізатори є внутрішніми джерелами тепла, властивості яких регулюються структурою та природою каталізатора, геометрією каналів і пор, величиною їх поверхні та ін. Оскільки загальна площа пор або каналів, які поглинають тепло, суттєво перевищує площу торця вітки термоелемента, то ефективність перетворення теплової енергії поглинутої об'ємом гілок, суттєво зростає. 5 59582 Якщо вважати, що кількість тепла, яка виділяється при згорянні палива в об'ємі гілок прямо пропорційна сумарній площі пор або каналів з нанесеним каталізатором, то ефективність термоелемента зростає на величину відношення площі пор або каналів до площі торців гілок термоелемента. Максимальна кількість тепла, що виділяється, і максимальна температура буде у верхній частині гілок термоелемента, тобто там, де концентрація каталізатора найвища. Мінімальна температура буде у нижній частині термоелемента, оскільки вона не містить каталізатор і охолоджується газоповітряною сумішшю, яка входить у термоелемент. Потік газу, що входить у термоелемент, поглинає тепло, яке іде назустріч шляхом теплопровідності і переносить його до гарячої частини вітки. Це додатково збільшує різницю температур між гарячою і холодною сторонами термоелемента, а відповідно і його ефективність. Оцінки показують, що ефективність термоелементу з каталітично активними речовинами, розташованими в порах або каналах, збільшується у Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська 6 1.8-2.0 рази порівняно з термоелементами без каталізаторів. Запропонований термоелемент з внутрішніми каталітичними джерелами тепла дозволяє підвищити енергетичну ефективність використання горючих газів та розширити галузі застосування термоелектричних генераторів, побудованих на їх основі. Джерела інформації: 1. Патент JP 7074397, МКИ: H01L35/00, H02N11/00. Thermoelectric generation method and device. / Echigo Ryozo (JP). - Опубл. 17.03.1995. 2. Патент JP 8306967, МКИ: H01L35/32. Thermoelectric generating element, its manufacture and thermoelectric generation device. / Hayashi Koji; Miyazaki Takehiko (JP). - Опубл. 22.11.1996. 3. Патент JP 7221353, МКИ: H01L35/32, G01K7/02. Thermoelectric element / Kato Masayuki; Takeda Toshikazu; Ogawa Makoto; Ishiyama Hideo (JP). - Опубл. 18.08.1995. 4. Алхазов Т.Г., Марголис Л.Я. Глубокое каталитическое окисление органических веществ. - М.: Химия, 1985. - 186с. Підписне Тираж 24 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601