Термоелектричний генераторний модуль

Реферат: Термоелектричний генераторний модуль на основі термоелементів, гілки яких мають пори або канали з розташованими в них каталітичними речовинами, комутаційних пластин з отворами на ділянці їх контакту з торцями гілок. Крім того, він містить ряд термоелементів з порами або каналами, у яких розташовані каталітичні речовини; на холодній і гарячій сторонах модуля послідовно розташовані електроізоляційні пластини з отворами і колектори, кожен з яких має вигляд плоскої камери, що має патрубок для входу газу на холодній стороні модуля і виходу газу на гарячій стороні модуля. UA 72099 U (54) ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНИЙ ГЕНЕРАТОРНИЙ МОДУЛЬ UA 72099 U UA 72099 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до термоелектричних приладів прямого перетворення теплової енергії в електричну. Запропонований модуль дозволяє підвищити надійність та ефективність термоелектричних генераторів, створених на основі таких модулів і суттєво розширити можливість їх практичного використання, зокрема в електроніці, приладобудуванні, а також в інших галузях промисловості. Відомий термоелектричний модуль (термоелектрична батарея) [1], який складається з гілок р- і п-типів провідності, з'єднаних послідовно за допомогою комутаційних пластин. Комутаційні пластини відповідно гарячого і холодного контактів модуля виступають за межі торців гілок р- і n-типів і мають на цих виступаючих частинах отвори, які об'єднані окремими каналами, по яких надходить теплоносій для нагрівання і охолодження спаїв термоелектричного модуля. Недоліком наведеної конструкції модуля є низька ефективність підведення тепла від гарячого теплоносія до гарячого контакту і відведення тепла від холодного контакту до холодного теплоносія. Це зумовлено малою площею теплового контакту теплоносія і комутаційної пластини і великим термічним опором комутації при підведенні і відведенні тепла відповідно до гарячого і від холодного спаїв модуля. Крім цього наведена конструкція не дозволяє отримати паралельне з'єднання термоелементів, що зменшує надійність роботи модуля в цілому. Відомий термоелектричний перетворювач [2], що складається з гілок р- і n-типів, з'єднаних комутаційними пластинами. Комутаційні пластини холодної і гарячої сторін модуля мають пористу структуру і розташовані відповідно у холодному і гарячому каналах, по яких рухається теплоносій. Така структура комутаційних пластин дозволяє максимально наблизити їх температуру до температури газу, що рухається у гарячому та холодному каналах. Недоліком описаного модуля є низька ефективність, зумовлена тим, що тепло, яке надійшло від гарячого газу до комутаційної пластини, поглинається тільки торцями гілок р- і n-типів, тобто поглинається лише частково. Окрім цього ще частина тепла втрачається шляхом провідності від гарячого до холодного спаю термоелементів модуля. Відомий термоелектричний перетворювач [3], який складається з пористих термоелементів, гілки якого виготовлені з різних матеріалів. На гарячій стороні модуля гілки з'єднані безпосередньо одна з одною без комутаційних пластин. Горючий газ надходить з холодного торця, проходить по довжині гілки і згоряє на гарячому торці модуля. При цьому частина тепла, що надходить провідністю від гарячої сторони до холодної, поглинається холодним газом і повертається до гарячої сторони модуля. Недоліком термоелектричного перетворювача є низька ефективність зумовлена тим, що виділене на гарячій стороні модуля тепло поглинається частково тільки торцями гілок. Модуль має низьку надійність і недостатню механічну міцність, що зумовлено його каркасною конструкцією. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є термоелектричний перетворювач, який складається з двох пористих гілок, з'єднаних комутаційними пластинами з отворами [4]. Внутрішні поверхні або об'єми пор заповнені каталітичними речовинами, які активні в реакціях окиснення горючих газів. Горючий газ надходить у пори гілок і згоряє без полум'я, виділяючи тепло, яке поглинається об'ємом гілки (поверхнями пор). При цьому поглинається максимальна кількість тепла, одержаного при згорянні газу. Недоліком такого перетворювача є те, що при електричному з'єднанні ряду гілок модуль має недостатню механічну міцність і низьку надійність, що зумовлено каркасною конструкцією і відсутністю армуючих керамічних пластин, що використовуються у модулях традиційної конструкції і які у наведеній конструкції перетворювача неможливо використати. Тому актуальним є створення термоелектричного модуля на основі пористих термоелементів, який поряд з високою ефективністю характеризується підвищеною надійністю. Вказане завдання розв'язується тим, що термоелектричний генераторний модуль на основі термоелементів, гілки яких мають пори або канали з розташованими в них каталітичними речовинами, комутаційних пластин з отворами на ділянці їх контакту з торцями гілок, містить ряд термоелементів з порами або каналами, у яких розташовані каталітичні речовини; на холодній і гарячій сторонах модуля послідовно розташовані електроізоляційні пластини з отворами і колектори, кожен з яких має вигляд плоскої камери, що має патрубок для входу газу на холодній стороні модуля і виходу газу на гарячій стороні модуля. 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 термоелектричний генераторний модуль на основі термоелементів, гілки яких мають пори або канали з розташованими в них каталітичними речовинами, комутаційних пластин з отворами на ділянці їх контакту з торцями гілок, містить ряд термоелементів з порами або каналами, у яких 1 UA 72099 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 розташовані каталітичні речовини; на холодній і гарячій сторонах модуля послідовно розташовані електроізоляційні пластини з отворами і колектори, кожен з яких має вигляд плоскої камери, що має патрубок для входу газу на холодній стороні модуля і виходу газу на гарячій стороні модуля. Промислове використання запропонованої корисної моделі не вимагає спеціальних технологій і матеріалів, його реалізація можлива на існуючих підприємствах приладобудівної та електронної промисловості. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється рисунками. На фіг. 1 наведено зовнішній вигляд модуля суміщений з частковим перерізом. На фіг. 2, 3 наведено вертикальний переріз модуля у двох взаємно перпендикулярних площинах. Запропонований модуль складається з ряду термоелементів р- і n-типів 1, 2 з порами або каналами, у яких розташовано каталітичні речовини, активні в реакціях безполум'яного спалювання газових або рідких палив. Каталізатор розташовано в порах або каналах верхньої частини гілок р- і n-типів. Термоелементи електрично з'єднані послідовно або паралельно, або послідовно-паралельно. Вибором виду комутації досягається підвищення надійності модуля. За тепловим потоком термоелементи з'єднані паралельно. Комутація р- і n-гілок у модулі здійснена пластинами 3, які на ділянках теплового контакту з торцями гілок мають отвори 4. На холодній і гарячій сторонах модуля послідовно розташовані електроізоляційні пластини 5 з отворами 6 і колектори 7. Отвори у електроізоляційних і комутаційних пластинах співпадають, мають однаковий діаметр і розташовані на ділянках контакту електроізоляційних і комутаційних пластин. Колектори 7 розташовані на електроізоляційних пластинах, мають вигляд плоскої камери, що має патрубки 8 для входу газу на холодній стороні модуля і патрубок 9 виходу газу на гарячій стороні модуля. Колектор має паралельні відкриті з одного боку канали 10 для проходження газу, які з одного кінця обмежені стінкою, а з другого - об'єднані поперечним каналом 11, який з'єднаний з патрубком 8 на холодній стороні модуля і патрубком 9 на гарячій стороні модуля. Ширина каналів 10 дорівнює діаметру отворів у електроізоляційних пластинах, при цьому стінки 12 утворені двома сусідніми каналами, розташовані між рядами цих отворів, а торці стінок мають тепловий контакт з електроізоляційною пластиною. Тепловий контакт між комутаційною 3, електроізоляційною 5 пластинами та колектором 7 створюється за допомогою гвинтів 13, які мають амортизуючі прокладки 14, виготовлені з еластичного полімерного матеріалу. Проміжки між термоелементами заповнені теплоізолятором 15, а бокові поверхні модуля, утворені зовнішніми поверхнями гілок термоелементів, розташованих по периметру модуля, і проміжки між поверхнями цих гілок закриті герметичною теплоізоляційною обичайкою 16. Для під'єднання споживача електричної енергії або комутації модулів у батареї електричні контакти 17 виведено за межі модуля. Працює термоелектричний модуль наступним чином. Стехіометрична горюча суміш (суміш повітря і газового палива або парів рідкого палива) через патрубок 8 надходить з певною швидкістю у канали 10 колектора, розташованого на холодній стороні модуля і проникає у пори гілок, де розташовано каталітичні речовини. Внаслідок протікання безполум'яного горіння палива на каталізаторі виділяється теплова енергія, яка поглинається поверхнями пор або каналів верхньої частини гілок р- і n-типів. Окрім цього холодний потік газу, що надходить у пори гілок з холодного колектора поглинає частину тепла, яке передається теплопровідністю від гарячої до холодної сторони термоелектричного модуля. Таким чином здійснюється часткова рекуперація тепла, відведеного від холодних спаїв термоелектричного модуля, що додатково підвищує його ефективність. Внаслідок різниці температур між гарячою і холодною сторонами модуль генерує електричний струм. Загальна площа пор або каналів, що поглинають тепло, суттєво перевищує площу торців гілок модуля, тому ефективність перетворення теплової енергії згоряння органічного палива в електричну в 1,8-2,0 рази вища порівняно з модулями без каталізаторів. Наявність колекторів з каналами, які суміщені з отворами в електроізоляційних пластинах і амортизуючих прокладок, які мінімізують напруги термічного розширення при роботі модуля, дозволяє рівномірно розподілити газову суміш по отворах електроізоляційної пластини і забезпечує достатньо високу механічну міцність і надійність модуля при збереженні високої ефективності перетворення енергії. Запропонований термоелектричний модуль дозволяє підвищити енергетичну ефективність використання газових і рідких палив, надійність та ефективність термоелектричних генераторів і розширює можливість їх практичного використання Джерела інформації: 2 UA 72099 U 5 1. Патент RU 2282274, МКИ: H01L35/28. Термоэлектрическая батарея. / Т.А. Исмагилов, М.Г. Вердиев, О.В. Евдулов (RU). - Опубл. 18.06.2004. 2. Патент JP 2000009361, МКИ: F25B21/02; H01L35/32, Thermoelectric conversion system./ Onaka Itsuo, Yasuda Hideyuki (JP) - Опубл. 14.01.2000. 3. Патент JP 8306967, МКИ: H01L35/32. Thermoelectric generating element, its manufacture and thermoelectric generation device / Hayashi Koji; Miyazaki Takehiko (JP). -Опубл. 22.11.1996. 4. Патент UA 59582. MKB: H01L35/32. Термоелектричний напівпровідниковий елемент для термогенераторів / Л. І. Анатичук, Л. Т. Струтинська, В.Я. Михайловський (UA). – Опубл. 25.05.2011. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 25 30 35 40 1. Термоелектричний генераторний модуль на основі термоелементів, гілки яких мають пори або канали з розташованими в них каталітичними речовинами, комутаційних пластин з отворами на ділянці їх контакту з торцями гілок, який відрізняється тим, що містить ряд термоелементів з порами або каналами, у яких розташовані каталітичні речовини; на холодній і гарячій сторонах модуля послідовно розташовані електроізоляційні пластини з отворами і колектори, кожен з яких має вигляд плоскої камери, що має патрубок для входу газу на холодній стороні модуля і виходу газу на гарячій стороні модуля. 2. Термоелектричний генераторний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що термоелементи з порами або каналами електрично з'єднані послідовно або паралельно, або послідовнопаралельно, за тепловим потоком - паралельно, а в проміжках між термоелементами встановлена теплова ізоляція. 3. Термоелектричний генераторний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що отвори у електроізоляційних і комутаційних пластинах співпадають, мають однаковий діаметр і розташовані на ділянках контакту електроізоляційної пластини з комутаційними пластинами. 4. Термоелектричний генераторний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що колектор, електроізоляційна пластина, комутаційні пластини розташовані на гарячій та холодній сторонах модуля, мають тепловий контакт між собою. 5. Термоелектричний генераторний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що колектор має паралельні відкриті з одного боку канали для проходження газу, які з одного кінця обмежені стінкою, а з другого - об'єднані поперечним каналом, що з'єднаний з патрубком для входу газу на холодній стороні модуля і виходу газу на гарячій стороні модуля. 6. Термоелектричний генераторний модуль за п. 5, який відрізняється тим, що ширина каналів колектора дорівнює діаметру отворів у електроізоляційних пластинах, стінки утворені двома сусідніми каналами, розташовані між рядами цих отворів, а торці стінок мають тепловий контакт з електроізоляційною пластиною. 7. Термоелектричний генераторний модуль за п. 1, який відрізняється тим, що бокові поверхні модуля, утворені зовнішніми поверхнями гілок термоелементів, розташованих по периметру модуля, і проміжки між поверхнями цих гілок закриті герметичною обичайкою. 3 UA 72099 U Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4