CN1240312A - 热能表用温差发电器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管道式热能表用的温差发电器,它是在其热源管2外壁有若干个集热块3,分别固定一块温差电换能器4和配套的散热器5。热源管2串接入供热管道后,当供热管内有热水流过时,热量便由集热块传送到换能器,余热由紧贴在换能器冷面的散热器散发到周围空间去,在换能器的两面形成温度差。由于温差电元件的塞贝克效应,在换能器的输出端产生温差电动势(即开路电压),经过升压稳压模块变换,为热能表提供稳定的额定电压。由于温差电换能器和升压稳压模块是固态器件,且为聚氨酯泡沫塑料密封,能够长期、连续、安全、稳定地工作。
Description
本发明涉及一种管道式供热能表用的温差发电器，属于物理电源技术领域。
二十世纪九十年代以来，随着人民生活水平的提高，社会公众环境保护意识的强化，冬季取暖采用集中供热的方式已成为现代城市建设的发展方向。为了规范供热方与取暖周户之间的费用结算，欧、美等工业发达国家采用热能表来计量供热量。据了解，我国有关部门决定在采暖地区逐步推广采暖热能表。目前，国外一般使用交流电或高能锂电池作为热能表电源(见丹麦Kamtrup公司产品介绍)。采用交流电作仪表电源时，停电期间无法记录供热量。热能表内部流动高压(约1.0兆帕)、高温(70～80℃)热水，如果仪表电路渗入水份或者电源线路损坏，可能使整个供暖管道带有220伏交流电，后果严重。采用高能锂电池(锂—亚硫酰氯电池)作电源，需要定期更换，而且该电池存在易于爆炸的隐患，一般不适合家庭用。
温差发电器是固态电源，属于物理电源中的一类特种电源。它是利用碲化铅、碲化铋等化合物半导体的温差电效应而制成的。现有温差发电器大多采用放射性同位素或烃类燃料燃烧作为热源，用于深空宇宙飞行器、无人值守气象站、输油气管道阴极保护等场合。现有温差发电器的结构不能用作热能表电源。
温差发电器是一种软输出特性的电源，即输出电压随着负载的大小而变化，为了提供稳定的工作电压，必须附加稳压电路。由于热能表功耗是毫瓦级，工作电压为5伏±0.2伏。在此功率范围内的温差发电器输出电压只有0.8～1伏，不能满足热能表的电压要求。
本发明的目的是针对上述问题，提供一种作热能表电源的温差发电器。它利用供热管道内的热水作热源，通过温差电换能器和内置电子升压稳压模块，能长期、安全、连续地为热能表提供稳定电流，无须维护，不用附加其它能源。
本发明的实施方案是这样的：在热源管2外壁的集热块3上分别固定一块温差电换能器4和配套的铝质散热器5，在热源管2和散热器5之间的空隙处注入聚氨脂发泡剂，形成一个致密的隔热层8，并且将升压稳压模块6与换能器连接后密封在隔热层中，用导线将升压稳压模块的输出接到外部，构成热能表用的温差发电器。
通过法兰1(或螺纹)将温差发电器的热源管2和热能表的流量计串接。当供热管内有热水流过时，热量便由热源管2管壁上的集热块3传送到平板型换能器4，余热由紧贴在换能器4上的散热器5散发到周围空间去，在换能器4的两面形成一定温度差ΔTD℃。由于换能器4内部温差电元件的塞贝克效应(即温差电效应)，在换能器的输出端产生温差电动势E(即开路电压)：
E＝NαPNΔTi其中：αPN为一对温差电元件的平均温差电动势率，单位为微伏/℃；
N为换能器内串联的温差电元件对数；
ΔTi为温差电元件冷、热端的温度差，其数值近似等于换能器两端的度差ΔTD单位为℃。
虽然，换能器输出的工作电流I＝E/(r+RL)是不稳定的，但是经过升压稳压模块6的变换后，温差发电器就能输出稳定的额定电压了。
与现有技术相比，本发明具有下列优点：(1)安全，不存在触电和爆炸的隐患；(2)能长期连续工作。因为温差电换能器和升压稳压模块属固态器件，而且又经聚氨脂泡沫塑料密封，隔水、防空气氧化，使用寿命大于15年。只要热源管中有热水流动，就能提供电源，省去了更换电池的麻烦。(3)温差电换能器输出电压经升压稳压模块变换后，能满足热能表的额定要求，且不受热水温度、环境温度、负载电流波动的影响。(4)结构简单，工作期间不用附加其它能源，而且无须维护，因此，总的使用成本低。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图1为本发明实施例1的热能表用温差发电器的剖面示意图
附图2为本发明实施例2的热能表用温差发电器的剖面示意图
附图3为升压稳压模块的电气原理图。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。实施例1：通径为DN 80毫米供热干管的热能表用的温差发电器。在附图1中，热源管2为铸铁、钢或黄铜管制成，两端有连接法兰1，可以接入供热管道。热源管2内径为80毫米，壁厚6毫米。法兰1外径为200毫米，8个螺栓孔的中心距为160毫米，其余尺寸均参考国家标准(GB9114～9116、9119、9123-88)。热源管2长度为240毫米，在其中段加工两个平台集热块3，对称分布在管壁两侧。平台的顶部为一个45毫米×45毫米的平面(光洁度为3.2)，根部截面尺寸为60毫米×60毫米，有利于采集热流。两个平面应平行。在外壁加工两个宽2毫米、深2毫米的环形凹槽，位于集热块的两侧，间隔为100毫米，便于安装密封板7。
换能器4采用平板式结构，上、下两块平板为陶瓷片或表面绝缘处理的铝板。按设计要求对平板进行金属化图形处理，以便能够焊接温差电元件。温差电元件采用碲化铋基合金材料制成。应用钎焊技术，将127对P型和N型温差电单体通过铜互联片(厚0.5毫米)以串联的方式焊接在两块陶瓷片之间，形成一个截面积为40毫米×40毫米的平板型温差电换能器。
铝散热器5基板厚4毫米，外侧有13片肋片，外缘呈半圆弧形，半径为90毫米，肋片顶部厚1.5毫米，根部厚3毫米，肋片间隔5毫米，散热器总宽度为100毫米。散热器基板内侧中央有一四方棱台，端面尺寸为45毫米×45毫米，是与换能器4接触的部位。
用M4规格的不锈钢螺钉将散热器5和换能器4固定在集热块3上，换能器4两侧均匀涂一薄层导热硅脂，减少接触面的热阻，提高热电转换效率。
在散热器5和热源管2之间的空腔内，注入聚氨脂发泡剂，形成一个致密的隔热层8，同时保护换能器内的半导体材料，也加强了发电器自身的机械强度。
将两块换能器4的输出线串联起来，接入升压稳压模块6。在附图3中，IC1采用美国美信公司的步升式直流变换器电路，其它元件均见图中标示。当输入电压或负载电流变化时，IC1自动调节脉冲频率，稳定输出电压为额定值。用环氧树脂把整个电路板封在一个模块内，成为一个三端升压稳压模块。将该模块埋入密封板7和散热器5之间的聚氨脂泡沫塑料8中，其输出电源线从密封板7钻孔引出，然后用热溶胶密封固定。
为了便于热能表安装测试传感器，在热能管2上加工一个传感器安装管9，高为70毫米，安装螺纹为G1/2B。
实施例2：通径为DN20毫米的户用采暖热能表用的温差发电器。在附图2中，热源管2为钢或黄铜制成，两端联接螺纹为G1B，可以接入供热管道。热源管2内径为20毫米，壁厚4毫米，散热器基板为一个100毫米×100毫米×4毫米的铝板上侧有15片肋片，肋片高25毫米，顶部厚1.5毫米，根部厚3毫米。该散热器可用铝型材截成。本例中集热块3，换能器4，升压稳压模块6，密封板7，密封隔热泡沫塑料8均和实施例1相同。
Claims (4)
1、一种管道式供热能表用的温差发电器，由热源体、温差电换能器、散热器、隔热密封层组成，其特征在于：其中的热源体是由热源管[2]、集热块[3]构成，各集热块分别固定一块温差电换能器[4]和配套的铝质散热器[5]，所述的隔热密封层是聚氨酯泡沫塑料，该密封层填充在散热器[5]和热源管[2]之间的空隙处，所述的发电器还包括一个升压稳压模块[6]，将换能器[4]的输出电压进行变换，为热能表提供稳定的电源。
2、根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：所述的热源管[2]是串接在供热管道之间，利用供热管内的热水或蒸汽作为热源，其外壁有若干个集热块[3]。
3、根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：所述的换能器采用平板型温差电换能器[4]，其冷、热面为金属化图形处理的陶瓷片或绝缘处理的铝板，温差电元件用碲化铋基合金材料制成。
4、根据权利要求1所述的温差发电器，其特征在于：所述的升压稳压模块[6]，把温差电换能器输出的不稳定低电压变换成3伏、5伏等稳定电压，用作热能表电源。
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