Термоелектричний пристрій

1. Термоелектричний пристрій, що містить з'єднані в електричне коло термоелектричні модулі, що мають теплосприймаючі та тепловиділяючі поверхні, між якими розташовані електрично з'єднані напівпровідникові гілки n- та ртипів провідності, рідинний контур гарячого теплоносія, що містить теплообмінники, які мають тепловий контакт з теплосприймаючими поверхнями термоелектричних модулів, рідинний контур холодного теплоносія, що містить теплообмінники, які мають тепловий контакт з тепловиділяючими поверхнями термоелектричних модулів, який відрізняється тим, що містить множину структурних блоків, розташованих вздовж трьох взаємно перпендикулярних просторових напрямків періодично і повторювано принаймні вздовж одного з вказаних напрямків, кожний з вказаних структурних блоків містить термоелектричний модуль, теплообмінник одного з двох вказаних рідинних контурів теплоносіїв, елементи механічного з'єднання з суміжними блоками, елементи з'єднання вказаного термоелектричного модуля у електричне коло, елементи з'єднання вказаного теплообмінника з рідинними контурами теплоносіїв, причому між двома термоелектричними модулями розташований принаймні один теплообмінник, а теплообмінники виконані у вигляді корпусу з плоскими гранями, у вказаному корпусі є 2 (19) 1 3 Цей винахід належить до термоелектричних пристроїв, що перетворюють теплову енергію у електричну (термоелектричні генератори), а також до термоелектричних теплових насосів, що виробляють холод і тепло при пропусканні через них електричного струму. Винахід може бути використаний для одержання електричного струму як потужного джерела живлення різноманітного призначення, а також для охолодження різного роду об'єктів у побуті, торгівлі, приладобудуванні, електроніці, обчислювальній техніці та інших областях, для термоелектричного нагрівання у кондиціонерах, регуляторах температури. Відомі термоелектричні пристрої, що містять у собі з'єднані в електричне коло термоелементи або термоелектричні батареї та мають контури рідких теплоносіїв з теплообмінниками. Вони описані у [патентах US 4682772, US 4520305, US 4499329, US 3298873, US 3269874, US 3148511, US 3116167, JP 3393359]. Найбільш близьким до винаходу є термоелектричний пристрій, описаний у [патенті JP3393359]. Цей відомий пристрій є термоелектричним генератором електричної енергії, він може також використовуватись як термоелектричний тепловий насос. До складу цього пристрою входять: з'єднані в електричне коло термоелектричні модулі, що мають теплосприймаючі та тепловиділяючі поверхні; рідинний контур гарячого теплоносія, що містить теплообмінники, які мають тепловий контакт з теплосприймаючими поверхнями термоелектричних модулів, рідинний контур холодного теплоносія, що містить теплообмінники, які мають тепловий контакт з тепловиділяючими поверхнями термоелектричних модулів. Відомий термоелектричний пристрій згідно [патенту JP3393359] має секційно-блочну структуру, тобто він складається з ідентичних секцій, а кожна з цих секцій містить ідентичні блоки з однотипними термоелектричними модулями, теплообмінниками та елементами кріплення блоків у секцію. Цей відомий термоелектричний пристрій, як і вказані вище відомі пристрої, має такі недоліки: ККД відомого пристрою в режимі генерації електричного струму низький і, наприклад, якщо температура гарячого теплоносія 180°С, а температура холодного теплоносія 80°С, то ККД не перевищує 3.5...4 %. Низькими є також холодильний та опалювальний коефіцієнти відомого пристрою як теплового насоса Пельть'є при його роботі в режимах термоелектричного охолодження та термоелектричного опалювання. Це зумовлено недосконалістю секційно-блочної структури з ідентичними секціями і блоками та однотипними модулями. В такій структурі за підвищення рівня уніфікації та стандартизації компонентів пристрою доводиться розплачуватись низькою ефективністю всього пристрою, тому що ідентичні компоненти в цій структурі працюють в неідентичних і неоптимальних теплових і електричних умовах. В основу винаходу поставлено задачу створити термоелектричний пристрій, що має 81347 4 підвищену ефективність перетворення енергії в режимах генератора електроенергії та теплового насоса внаслідок використання нової блочної структури пристрою з неідентичних блоків, яка містить засоби, що дозволяють при роботі пристрою забезпечити роботу кожного блоку в оптимальних теплових і електричних умовах для досягнення максимальної ефективності всього пристрою. Для цього в термоелектричному пристрої, що містить з'єднані в електричне коло термоелектричні модулі, які мають теплосприймаючі та тепловиділяючі поверхні; рідинний контур гарячого теплоносія, що містить теплообмінники, які мають тепловий контакт з теплосприймаючими поверхнями термоелектричних модулів; рідинний контур холодного теплоносія, що містить теплообмінники, які мають тепловий контакт з тепловиділяючими поверхнями термоелектричних модулів; з метою підвищення ефективності перетворення енергії в режимах генератора електроенергії та теплового насоса 1) термоелектричний пристрій містить структурні блоки, розташування яких у пристрої вздовж трьох взаємно перпендикулярних просторових напрямків є періодичним і повторюваним принаймні вздовж одного з вказаних напрямків, 2) кожний з вказаних структурних блоків містить термоелектричний модуль, теплообмінник одного з двох вказаних вище рідинних контурів теплоносіїв, елементи механічного з'єднання з суміжними блоками, елементи з'єднання вказаного термоелектричного модуля в електричне коло, елементи з'єднання вказаного теплообмінника з рідинними контурами теплоносіїв, 3) у пристрої між двома термоелектричними модулями розташовано принаймні один теплообмінник; 4) теплообмінники виконано у вигляді корпуса з плоскими гранями, у вказаному корпусі є рівнобіжні канали рідинного контуру теплоносія, кінці каналів виходять у заглибину однієї з двох протилежних граней корпуса, вказана заглибина гідравлічно з'єднує виходи каналів теплообмінника між собою а також з рідинним контуром теплоносія теплообмінника суміжного блоку. У конкретному випадку виконання пристрою елементи механічного з'єднання блоків включають попарні гвинтові з'єднання суміжних блоків. В інших варіантах конкретного виконання пристрою елементи механічного з'єднання блоків включають наскрізне з'єднання множини блоків шпильками. У конкретних варіантах виконання пристрій містить з'єднані в електричне коло неідентичні термоелектричні модулі, що мають вітки n- та ртипу провідності, довжини та поперечні перерізи вказаних віток, а також електричні схеми з'єднання 5 81347 6 віток всередині термоелектричного модуля На Фіг.16 - поперечний переріз з'єднання індивідуальні для кожного модуля. теплообмінників конкретного варіанта виконання В інших конкретних випадках виконання винаходу, де використано агресивні рідинні пристрою кінці каналів рідинного контуру теплоносії. теплоносія теплообмінників суміжних блоків На Фіг.17 - гідравлічна схема рідинних контурів з'єднано металевою трубкою, розміщеною у теплоносіїв при послідовному з'єднанні у заглибинах теплообмінників суміжних блоків . теплообміннику груп каналів з паралельним У конкретних варіантах виконання з'єднанням чотирьох каналів у кожній групі. теплобмінники блоків пристрою містять колектори На Фіг.18 - гідравлічна схема рідинних контурів каналів рідинних контурів теплоносія для теплоносіїв при паралельному з'єднанні всіх послідовного, паралельного, послідовноканалів теплообмінників. паралельного гідравлічного з'єднання каналів та Термоелектричний пристрій згідно з груп каналів теплообмінника. винаходом, як це показано на Фіг.1, містить В окремих конкретних випадках виконання структурні блоки 1, загальний вигляд вказаних пристрою всередині каналів рідинних контурів блоків 1 подано на Фіг.2. Розташування теплоносія розміщено турбулізатори потоку структурних блоків 1 у пристрої вздовж трьох теплоносія у вигляді скручених у спіраль взаємно перпендикулярних просторових напрямків металевих смуг. х, у, z є періодичним і повторюваним. Фрагмент В конкретних випадках виконання пристрою, конкретного виконання пристрою, показаний на де в якості теплоносіїв використовуються Фіг.1, містить два періодичних повторення агресивні рідини, канали теплообмінників структурних блоків у напрямку х, два періодичних виконано у вигляді титанових трубок, а з'єднання повторення структурних блоків у напрямку у і вісім каналів містить титанові вставки між гумовими періодичних повторень структурних блоків у прокладками. напрямку z. В конкретних варіантах виконання На кресленнях показано: можливі різноманітні періодичні конструкції На Фіг.1 - загальний вигляд фрагмента пристрою з різним числом блоків вздовж трьох термоелектричного пристрою згідно з винаходом. взаємно перпендикулярних просторових напрямків На Фіг.2 - загальний вигляд одного х, у, z залежно від габаритів пристрою, його структурного блоку термоелектричного пристрою. призначення тощо. На Фіг.3З - фрагмент термоелектричного Кожний з вказаних структурних блоків 1 пристрою з одним із варіантів конкретного містить термоелектричний модуль 2, виконання елементів механічного з'єднання теплообмінник 3 одного з двох вказаних вище блоків. рідинних контурів теплоносіїв, На Фіг.4 - фрагмент термоелектричного Теплообмінники 3, які мають тепловий контакт модуля одного з блоків термоелектричного з теплосприймаючими поверхнями 11 пристрою. термоелектричних модулів 2, належать до На Фіг.5 - загальний вигляд теплообмінника рідинного контуру гарячого теплоносія. До одного з блоків термоелектричного пристрою. рідинного контуру холодного теплоносія, належать На Фіг.6 - поперечний переріз одного з теплообмінники 3, які мають тепловий контакт з варіантів виконання теплообмінника, показаного тепловиділяючими поверхнями 12 на Фіг.5. термоелектричних модулів 2. У пристрої між На Фіг.7 - поперечний переріз одного з двома термоелектричними модулями 2 варіантів виконання теплообмінника, показаного розташовано один теплообмінник 3. на Фіг.5, на стику з аналогічним теплообмінником Структурні блоки 1 з'єднано елементами суміжного блоку. механічного з'єднання з суміжними блоками. В На Фіг.8, 9 - поперечні перерізи у двох конкретному варіанті виконання пристрою, проекціях іншого, відмінного від показаного на показаному на Фіг.1 такими елементами є гвинти Фіг.7, варіанту виконання теплообмінника блоку 4, що з'єднують суміжні структурні блоки. В цьому термоелектричного пристрою. варіанті виконання пристрою структурні блоки 1 На Фіг.10 - схема гідравлічного колектора для закріплено на двох металевих основах 6 паралельного з'єднання всіх каналів шпильками 5. У конкретному варіанті виконання теплообмінника. пристрою, показаному на Фіг.3, елементами На Фіг.11 - схема гідравлічного колектора для механічного з'єднання множини структурних блоків послідовного з'єднання всіх каналів 1 є шпильки 8, за допомогою яких відбувається теплообмінника. наскрізне з'єднання теплообмінників 3 та блоків 1 На Фіг.2 - схема гідравлічного колектора для у напрямку y. паралельного з'єднання пар каналів Термоелектричні модулі 2 є відомими теплообмінника. термоелектричними батареями, подібними до На Фіг.13 - схема гідравлічного колектора для термоелектричних модулів, представлених в послідовного з'єднання пар каналів описах [патентів US5064476, GB2247448A, теплообмінника. EPO455051A2, US5171372]. Термоелектричні На Фіг.14 - фрагмент теплообмінника з модулі 2, як то показано на Фіг.4, мають розміщеними у його каналах турбулізаторами теплосприймаючі 11 та тепловиділяючі 12 потоку теплоносія. поверхні, між якими розташовані електрично На Фіг.15 - загальний вигляд турбулізатора з'єднані напівпровідникові вітки 9, 10 n- та р-типу потоку теплоносія. провідності. Термоелектричні модулі 2 з'єднані між 7 81347 8 собою та зовнішнім електричним колом містять титанові вставки 29 між резиновими провідниками 7. прокладками 14. У конкретних варіантах виконання Використання описаних вище конкретних термоелектричного пристрою згідно винаходу, варіантів з'єднання теплообмінників, а також з'єднані в електричне коло термоелектричні колекторів 20, 23, 24, 25 дозволяє здійснювати модулі 2, відрізняються від вказаних вище відомих різноманітні і конструктивно гнучкі гідравлічні прототипу та аналогів тим, що довжини l та схеми рідинних контурів теплоносіїв у пристрої, створювати індивідуальні оптимальні теплові поперечні перерізи а´а напівпровідникових віток nумови для кожного модуля 2 в складі структурного та р-типу провідності (Фіг.4) індивідуальні для блоку 1. кожного модуля. Електричні схеми з'єднання Приклад варіантів таких схем наведено на вказаних віток всередині термоелектричного Фіг.17, де представлено гідравлічну схема модуля, а саме послідовного з'єднання, рідинних контурів теплоносіїв при послідовному паралельного з'єднання, та паралельноз'єднанні у теплообмінниках 3 груп каналів 13 з послідовного з'єднання також можуть бути паралельним з'єднанням чотирьох каналів 13 у індивідуальними для кожного модуля. кожній групі, а також на Фіг.18, де показано Теплообмінники 3, в конкретному варіанті гідравлічну схему рідинних контурів теплоносіїв виконання винаходу, показаному на Фіг.5, 6, 7 при паралельному з'єднанні всіх каналів 13 виконано у вигляді корпуса з плоскими гранями, у теплообмінників 3. На Фіг.17, 18 рідинні контури вказаному корпусі є рівнобіжні канали 13 рідинного холодного і гарячого теплоносіїв 30, 31 умовно контуру теплоносія. Кінці каналів 13 виходять у показано відокремленими у просторі для більшої заглибину 15 однієї з двох протилежних граней наочності зображення, а вхід 32 і вихід 33 корпуса, вказана заглибина 15 гідравлічно з'єднує колектора 34 холодного теплоносія та вхід 35 і виходи каналів 13 теплообмінника між собою, а вихід 37 колектора 36 холодного теплоносія також з рідинним контуром теплоносія позначено стрілками з білими вістрями. теплообмінника суміжного блоку. На стику Робота термоелектричного пристрою, згідно з суміжних теплообмінників 3 (Фіг.7) розміщено винаходом, подібна до роботи вказаних вище гумову прокладку 14. Механічне з'єднання відомих термоелектричних пристроїв і має два теплообмінників 3 у цьому варіанті виконання режими - режим генератора і режим теплового здійснюється гвинтами 4, розміщеними у отворах насоса. 16. В режимі генератора через рідинний контури В конкретному варіанті виконання винаходу, теплоносіїв проходить гарячий та холодний показаному на Фіг.8, 9 на стиках суміжних теплоносії. Теплоносії через колектори 32, 33 теплообмінників 3 розміщено металеві трубки 17, надходять до структурних блоків 1 і протікають що з'єднують кінці суміжних каналів 13, а через теплообмінники 3. Описані вище конструкції механічне з'єднання теплообмінників 3 у цьому теплообмінника 3 зводять до мінімуму втрати варіанті виконання здійснюється обтисними тепла в теплообміннику. Доцільно підтримувати вставками 19, через які проходять шпильки 18, що перепад тиску теплоносія на одному закріплюються до колекторів контурів рідинних теплообміннику 3 в межах 0.1...0.2 атмосфери. В теплоносіїв. цьому випадку для описаної вище конструкції В конкретних варіантах виконання винаходу, режим протікання теплоносіїв в каналах 13 показаних на Фіг.10, 11, 12, 13 теплообмінники 3 теплообмінників 3 буде близьким до структурних блоків 1 пристрою містять колектори турбулентного, але не буде створювати великого 20, 23, 24, 25, каналів рідинних контурів теплоносія гідравлічного опору і не буде приводити до для паралельного (колектор 20), послідовного істотних витрат енергії на прокачування (колектор 23), послідовно-паралельного (колектор теплоносіїв. При цьому вказані витрати енергії не 24) гідравлічного з'єднання каналів 13 та перебільшують 10% від вихідної електричної паралельного (колектор 25) гідравлічного потужності пристрою в режимі генератора. В разі з'єднання груп каналів теплообмінників 3. потреби є можливість використовувати Колектори мають вхід 21 та вихід 22. турбулізатори 26. Теплові потоки від В конкретному варіанті виконання винаходу, теплообмінників 3, включених у контур гарячого показаному на Фіг.14 у теплообмінниках 3 теплоносія, проходять через термоелектричні всередині каналів 13 рідинних контурів теплоносія модулі 2 в теплообмінники 3, включені в контур розміщено турбулізатори 26 потоку теплоносія у холодного теплоносія. За рахунок відомого вигляді скручених у спіраль металевих смуг термоелектричного ефекту Зеєбека в (Фіг.15). Турбулізатори 26 перетворюють термоелектричних модулях 2 виникає термоЕРС. ламінарний потік теплоносія на турбулентний, Внаслідок того, що всі термоелектричні модулі 12 інтенсифікуючи теплообмін між теплоносієм та з'єднані електрично і подключені до електричних тілом теплообмінника 3. виводів пристрою, на цих виводах виникає В конкретному варіанті виконання винаходу, постійна електрична напруга. Ця напруга може показаному на Фіг.16, для підвищення надійності бути використана зовнішнім споживачем, який пристрою при використанні агресивних рідин в під'єднується до електричних виводів пристрою. якості теплоносіїв, канали 13 теплообмінників 3 В режимі теплового насоса через рідинні виконано у вигляді титанових трубок 28. Між контури пропускаються теплоносії, які трубками 28 та тілом теплообмінника 3 розгалужуються по структурних блоках і надходять знаходиться шар припою 27. З'єднання каналів до теплообмінників 3 таким же чином, як і в режимі 9 81347 генератора. До електричних виводів пристрою під'єднується зовнішнє джерело постійного струму. Електричний струм розгалужується по структурних блоках 1 і проходить через кожний термоелектричний модуль 3. При цьому за рахунок відомого термоелектричного ефекту Пельтьє теплосприймаюча поверхня 11 модуля охолоджується, а тепловиділяюча поверхня 12 нагрівається. За рахунок теплообміну в теплообмінниках 3 теплоносій в рідинному контурі гарячого носія нагрівається, а в рідинному контурі холодного носія - охолоджується. Теплоносії, що виходять з рідинних контурів, можуть бути використані як джерела тепла і холоду. Конструктивні відмінності описаного вище пристрою від відомих термоелектричних пристроїв дозволяють одержати такі основні переваги. Описана вище періодично повторювана вздовж трьох взаємно перпендикулярних просторових напрямків х, у, z блочна структура пристрою є конструктивно гнучкою, містить засоби різноманітного компонування внутрішніх електричних кіл та гідравлічних контурів теплоносіїв, що дозволяють при роботі пристрою забезпечити роботу кожного блоку в оптимальних теплових і електричних умовах для досягнення максимальної ефективності всього пристрою. Результати випробувань термоелектричного пристрою, виготовленого згідно з винаходом, показують, що ККД пристрою у режимі генератора вищий, ніж у відомих термоелектричних пристроїв і досягає 5.5% при перепаді температур 120K, а холодильний коефіцієнт у режимі теплового насоса складає 2.8% при перепаді температур 100K. 10 11 81347 12 13 81347 14