RU178058U1 - Термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея - Google Patents

Abstract

Использование: для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую. Сущность полезной модели заключается в том, что термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея содержит коаксиально размещенные внешний теплоотводящий и внутренний теплоподводящий электроизолирующие цилиндры с внутренним каналом кольцевого сечения, в котором установлены множество кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, каждая из которых выполнена в виде разрезной шайбы, составленной из последовательно соединенных полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно изогнутых брусков, установленных с зазором между соседними полупроводниковыми ветвями вдоль кольцевой поверхности разрезной шайбы, при этом соединения упомянутых ветвей в виде электропроводящих шин, выполненных, например, в форме бимсовых ребер, закреплены контактирующей рабочей поверхностью на внешней и внутренней сторонах ветвей упомянутой разрезной шайбы, между соседними плоскими сторонами каждой из которых размещены дистанционные основные электроизолирующие прокладки, а электропроводящие коммутирующие элементы кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, например, в виде размещенных вдоль разреза батареи парусообразных пластин, внутренними поверхностями соединяют соседние кольцевые термоэлектрические сборочные единицы с возможностью образования из их соединений единой электрической цепи, подключенной к выходным токовым выводам для подключения потребителя, также батарея снабжена герметизирующей рубашкой и дополнительными герметизирующими электроизолирующими вставками, при этом герметизирующая рубашка выполнена в виде кокона, размещенного внутри упомянутого внутреннего канала кольцевого сечения на внешней поверхности кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, а дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки выполнены в виде пленок, повторяющих конфигурацию контуров зазоров в радиальном направлении между бимсовыми шинами и размещены в упомянутых зазорах, при этом герметизирующая рубашка и дополнительные герметизирующие вставки выполнены из высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе, например кремнийорганического компаунда «Эластек», а контактирующие рабочие поверхности упомянутых электропроводящих соединений полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости и коммутирующие внутренние поверхности упомянутых парусообразных пластин выполнены с рельефными ограничителями, например, в виде шипов. Технический результат: обеспечение возможности обеспечения термостойкости, выносливости и повышения прочности, длительной безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях. 14 ил.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, преимущественно к термоэлектрическим устройствам, основанным на эффекте Зеебека, в частности, к конструкции термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи.

Заявляемая полезная модель может быть использована в различных термоэлектрических устройствах, в частности в резервных термоэлектрических генераторах постоянного тока и автономных стационарных термоэлектрических генераторах как большой, так и малой мощностей, предназначенных для электропитания оборудования систем катодной защиты магистральных нефте- и газопроводов, а также в источниках автономного питания различных устройств телеметрии и автоматики, применяемых на объектах, удаленных от линий электропередачи или используемых в местах, где прокладка дорогостоящих линий электропередачи невозможна или нецелесообразна. Как правило, для таких мест (например, труднодоступных территорий Крайнего Севера) характерны сложные и неустойчивые метеоусловия с существенными перепадами атмосферного давления, резких изменений диапазонов температур тепла и холода, повышенной влажности (длительные ливни, пурга, метели, бури) или чрезмерной сухости (стихийные пожары, смерчи, тайфуны, ураганы, магнитные бури).

Для обеспечения автономным электропитанием с целью долгосрочной бесперебойной работоспособности в таких критичных условиях специального оборудования, например систем катодной защиты от коррозии магистрального газо- и нефтетрубопровода, необходимы автономные высоконадежные экологически чистые мощные источники электрического тока с использованием термоэлектрических цилиндрических генераторных батарей.

Применение названных термоэлектрических батарей обеспечивают устройствам следующие существенные технические преимущества:

- отсутствие движущихся и изнашивающихся частей,

- экологическую чистоту,

- бесшумность работы,

- простоту эксплуатации,

- полную автономность,

- долговечность.

Широко известны различные конструкции генераторных термоэлектрических батарей (далее - ТБГ).

Для данного уровня техники известных конструкций ТБГ актуальным является решение ряда конструктивных технических проблем, связанных с совершенствованием конструкции как батареи в целом, так и составляющих ее деталей и узлов, а также средств их соединения.

Особенностью ТБГ является необходимость создания значительного перепада температур на ее элементах, что приводит к возникновению высоких термических напряжений, наличие которых является главной причиной ограничения их ресурса.

На сегодняшний момент времени в недостаточной степени решены проблемы по преждевременному выходу ТБГ из строя из-за быстрого разрушения полупроводниковых материалов элементов конструкции по причине наличия значительных термических напряжений, недостаточной степени герметичности, а также выхода из строя электроизолирующих элементов конструкции из-за ускоренной деградации свойств электроизоляционных материалов при длительной эксплуатации устройства в жестких условиях окружающей среды. В настоящее время продолжают совершенствовать конструкции термоэлектрических генераторных батарей, решая при этом проблемы, связанные с повышением прочности и надежности, термостойкости, герметичности, электроизоляционной стойкости конструкции и улучшением стабильности получения расчетных выходных параметров устройства, при обеспечении оптимальных габаритов и веса, а также безаварийности работы в течение длительного времени, решаемых путем создания новых конструкций основных элементов устройства и соединяющих их средств, обладающих повышенными прочностными качествами и большой точностью сборки.

Особое внимание в области разработки конструкций термоэлектрических цилиндрических генераторных батарей уделяют проблеме повышения безаварийного срока эксплуатации и надежности устройства при длительной эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.

В известных конструкциях ТГБ имеются следующие недостатки: сложность конструкции, высокая себестоимость, невысокие надежность и ресурс эксплуатации, отсутствие влагостойкости, термостойкости и электроизоляционной прочности, низкая эффективность получения расчетных выходных параметров, высокая степень вероятности возникновения аварийных ситуаций.

Например, известна термоэлектрическая батарея (Патент РФ на изобретение №2142177, МПК H01L 35/32, опубл. 27.11.1999), содержащая полупроводниковые ветви n- и p-типов проводимости, соединенные коммутационными шинами, токоподводы и металлические теплопереходы толщиной 0,5-6 мм из алюминия, или алюминия с нанесенной на него оксидной пленкой толщиной 3-150 мкм или из меди со слоем диэлектрического материала. В этой конструкции несколько повышен срок службы устройства путем повышения прочности теплопереходов за счет выполнения их из металла. Однако значительно увеличен вес устройства и снижена термостойкость, а также возникла проблема компенсации термических напряжений, которую частично решили за счет введения средства компенсации термических напряжений, выполненного в виде расположенного между коммутационными шинами и теплопереходами слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала (например, резины, клея, силиконового герметика). Однако выполнение металлических теплопереходов толщиной 6 мм позволяет повысить только внешнюю прочность термоэлектрической батареи, но создает склонность к разрушению внутренних частей конструкции: термоэлементов и мест их соединений с другими элементами. Кроме того, конструкция имеет существенные недостатки, обусловленные тенденцией к ухудшению рабочих характеристик из-за ее низких термостойкости и коррозионной стойкости в атмосфере высокой влажности, что значительно снижает электроизоляционную стойкость и указывает на низкую надежность эксплуатации при высоких температурах из-за быстрого разрушения внутренних частей конструкции батареи при ее использовании. Также существенным недостатком этой известной термоэлектрической батареи является малый КПД. Эти недостатки препятствуют применению известной конструкции ТЭБ в жестких условиях окружающей среды: резких перепадов положительных и отрицательных температур, повышенной влажности.

Известна конструкция батареи термоэлектрических элементов (Патент РФ на изобретение №2010396, МПК H01L 35/02, опубл. 30.03.1994), содержащая пленочные или пластинчатые или рулонные полупроводниковые ветви с n- и p-типами проводимости и токосъемные устройства и снабженная внутренним электропроводящим слоем с образованием биполярной системы, при этом полупроводниковые ветви с n- и p-типами проводимости нанесены на лицевые поверхности электропроводящего слоя, а на границах раздела «металл-полупроводник» образованы квазидвумерные структуры электрических зарядов. Термоэлектрический элемент может быть выполнен в виде ленты или пленки, преимущественно свернутой в рулон. Биполярные термоэлектрические элементы соединены в батарею последовательным рулонным наложением с образованием многослойной структуры с чередующимися слоями. Между двумя последовательно сопрягаемыми термоэлементами размещен электропроводный слой из графитовой смазки или металлографитовых композитов. Соединение термоэлементов в батарею производится под высоким давлением в специальной газовой среде. Полупроводниковые ветви могут быть изготовлены напылением, электролитическим осаждением или ионной имплантацией.

Недостатками этой конструкции являются следующие. Малая механическая прочность и высокая хрупкость полупроводниковых ветвей, через каждую из которых передаются все нагрузки при изгибе, сжатии и растяжении, указывают на то, что эта конструкция термоэлектрической батареи обладает низкой прочностью и ненадежностью эксплуатации и может легко и быстро разрушаться под действием внешних нагрузок. Кроме того, конструкция имеет существенные недостатки, обусловленные тенденцией к ухудшению рабочих характеристик из-за ее низкой коррозионной стойкости в атмосфере высокой влажности, а также невысокой термостойкости и существенно сниженной электроизоляционной стойкости, что значительно снижает срок ее эксплуатации. Эти недостатки препятствуют применению этой конструкции в жестких климатических условиях.

Известна конструкция термоэлектрической генераторной батареи (Патент РФ на полезную модель №124840, МПК H01L 35/00, опубл. 10.02.2013) с несколько повышенной механической прочностью, которая содержит термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно согнутых брусков, коммутирующие элементы, внешнюю и внутреннюю трубчатые оболочки и токовводы. Конструкция снабжена монтажной ячеистой кассетой, выполненной из конструкционного стеклотекстолита. Эта кассета служит арматурной основой батареи, все элементы которой размещены в полых ячейках кассеты.

Характеристики этой батареи во многом определяются свойствами монтажной кассеты из конструкционного стеклотекстолита. Конструкционный стеклотекстолит обладает отличными диэлектрическими характеристиками и представляет собой стеклотканевую основу, пропитанную фенольной смолой согласно ГОСТ 10292-74. Нагревостойкость конструкционного стеклотекстолита ограничена 200 градусами °С.

Недостатки этой известной конструкции обусловлены следующими причинами. При длительной эксплуатации при повышенной температуре (выше 200°С-300°С) этой известной конструкции термоэлектрической генераторной батареи происходит выгорание модифицированного фенолформальдегидного связующего стеклотекстолита, что приводит к быстрому разрушению этой конструкции термоэлектрической батареи. Причем выгорание связующего стеклотекстолита происходит с образованием газообразной составляющей, разрушающей герметичность конструкции изнутри и приводящей к полной потере прочности и быстрому разрушению внутренних элементов конструкции известной батареи.

При этом элементы конструкции подвержены прямому воздействию активного кислорода и высоких температур, вызывающих растрескивание и разрушение как основных полупроводниковых элементов, так и средств их соединений. Таким образом, из-за сниженных прочностных качеств и отсутствия достаточной герметичности, эта известная конструкция имеет существенные недостатки, обусловленные тенденцией к ухудшению рабочих характеристик из-за ее низкой термостойкости, а также существенно сниженной коррозионной стойкости в атмосфере высокой влажности и повышенных температурах (выше 200°С), а также существенным снижением электроизоляционной стойкости, что значительно снижает срок ее эксплуатации. Эти факторы указывают на низкие прочностные качества и ненадежность работы при длительной эксплуатации известного устройства в условиях повышенных температур, препятствующие долгосрочному безаварийному применению данной конструкции в условиях резких перепадов температур.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному объекту является термоэлектрическая генераторная батарея (Патент РФ на полезную модель №51287, МПК H01L 35/28, опубликовано: 27.01.2006. ПРОТОТИП), содержащая термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей с n- и p-типами проводимости с внутренними электропроводящими соединениями ветвей, а также коммутирующие элементы термомодулей для их соединения между собой и токовыводы. Термомодули размещены в полости, образованной между внешней и внутренней трубчатыми оболочками. Каждый термомодуль выполнен в виде разрезной шайбы, составленной из последовательно соединенных полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно согнутых брусков, установленных с зазором между соседними ветвями. Внутренние электропроводящие соединения ветвей выполнены в виде бимсовых ребер, закрепленных на внешней и внутренней сторонах упомянутой разрезной шайбы. Каждое бимсовое ребро соединяет последовательно ветвь n-типа одной пары с ветвью p-типа соседней пары. Коммутирующие элементы термомодулей выполнены в виде парусообразных пластин, размещенных вдоль разреза шайб, и соединяющих термомодули с образованием единой электрической цепи.

В этой известной конструкции термоэлектрической генераторной батареи имеются следующие недостатки. Устройство не обладает достаточной степенью герметичности и электроизоляционной стойкостью, что снижает прочность и выносливость известной конструкции при долгосрочной эксплуатации в экстремальных условиях, например перепадах высоких температур (выше 200°С) и повышенной влажности (98%). Эти недостатки проявляются в следующих обстоятельствах. При эксплуатации термоэлектрической генераторной батареи в условиях повышенных температур (выше 200°С) и высокой влажности происходит перегрев окружающего воздуха, в составе которого наиболее химически активным становится кислород. Прямое воздействие окислительной среды и высоких температур на элементы конструкции батареи вызывают окисление поверхности, приводящее к растрескиванию и разрушению структуры материалов как основных полупроводниковых элементов, так и средств их соединений. Таким образом, из-за сниженных герметичности, термостойкости и недостаточной электроизоляционной стойкости, эта известная конструкция имеет существенные недостатки, обусловленные тенденцией к ухудшению рабочих характеристик из-за быстрой разрушаемости материалов элементов конструкции батареи, а также ее низкой коррозионной стойкости в атмосфере высокой влажности и повышенных температурах, а также существенным снижением электроизоляционной стойкости, что значительно уменьшает срок ее эксплуатации. Эти факторы указывают на нестабильность получения выходных параметров, низкие прочностные качества, низкий ресурс безаварийной работы и ненадежность работы при эксплуатации известного устройства в режиме многократных термоциклирований, препятствующие безопасному применению данной конструкции в экстремальных условиях.

Таким образом, технический уровень на данный момент времени показывает, что известные термоэлектрические генераторные батареи не обладают достаточно высокими надежностью, выносливостью, термостойкостью и прочностью при длительной эксплуатации в жестких экстремальных условиях окружающей среды, не обеспечивают достаточно высокую стабильность рабочих характеристик, поскольку известные конструкции упомянутых батарей имеют тенденцию к быстрой разрушаемости в условиях эксплуатации высокой влажности и повышенных температурных перепадах вследствие нерешенности следующих проблем:

- отсутствие конструктивного технического решения, обеспечивающего достаточную степень защиты от прямого воздействия окислительной среды (воздуха) и высоких температур на элементы конструкции батареи для защиты от растрескивания и разрушения внутренней структуры конструкционных материалов,

- отсутствие в известных конструкциях специальных конструкционных материалов для обеспечения необходимой степени электроизоляционных и герметизирующих свойств материалов элементов конструкций батареи для защиты от разрушения устройства при его длительной эксплуатации в жестких экстремальных условиях.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в создании высоконадежной оригинальной термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи, конструкция которой отличается от известных решений высокими термостойкостью, герметичностью, электроизоляционной стойкостью, коррозионностойкостью и надежностью эксплуатации, выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях (особенно при повышенных температурах - выше 200°С).

Эти качества должны быть обеспечены за счет того, что в заявляемом устройстве решена задача по созданию максимально термостойкой упрочненной герметичной конструкции, благодаря чему удалось решить проблему по исключению разрушаемости материалов элементов конструкции термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи, а также удалось одновременно решить проблемы по повышению уровня коррозионной стойкости и существенного увеличения термостойкости и электроизоляционной стойкости устройства за счет обеспечения защиты от разрушения при его длительной эксплуатации в жестких экстремальных условиях.

При создании конструкции заявляемого устройства для решения поставленных задач разработанное техническое решение при эксплуатации в жестких экстремальных условиях должно обладать:

- оптимальными компактностью, герметичностью, технологичностью и простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам,

- стабильностью получения заданных выходных параметров,

- повышенными прочностью, термостойкостью, коррозионной стойкостью, электроизоляционной стойкостью и выносливостью как основных элементов конструкции, так и соединяющих их средств;

- устойчивостью к вибрациям и ударным нагрузкам, (механические удары одиночного и многократного действия: 500/20g, синусоидальные вибрации с диапазоном частот 5÷500 Гц с амплитудой виброускорения 3g);

- длительным ресурсом безаварийной работы в жестких экстремальных условиях;

- высокой надежностью эксплуатации и обеспечением высоким уровнем пожароустойчивости при эксплуатации в жестких экстремальных условиях;

- обеспечением требований к долговечности и сохраняемости: назначенный полный срок службы - не менее 10 лет, назначенный ресурс - не менее 6000 часов.

Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.

Техническое решение можно признать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.

Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется (см. прилагаемую рекламу).

Предлагается термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея, содержащая коаксиально размещенные внешний теплоотводящий и внутренний теплоподводводящий электроизолирующие цилиндры с внутренним каналом кольцевого сечения, в котором установлены множество кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, каждая из которых выполнена в виде разрезной шайбы, составленной из последовательно соединенных полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно изогнутых брусков, установленных с зазором между соседними полупроводниковыми ветвями вдоль кольцевой поверхности разрезной шайбы, при этом соединения упомянутых ветвей в виде электропроводящих шин, выполненных, например, в форме бимсовых ребер, закреплены контактирующей рабочей поверхностью на внешней и внутренней сторонах ветвей упомянутой разрезной шайбы, между соседними плоскими сторонами каждой из которых размещены дистанционные основные электроизолирующие прокладки, а электропроводящие коммутирующие элементы кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, например, в виде размещенных вдоль разреза батареи парусообразных пластин, внутренними поверхностями соединяют соседние кольцевые термоэлектрические сборочные единицы с возможностью образования из их соединений единой электрической цепи, подключенной к выходным токовым выводам для подключения потребителя.

Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея снабжена герметизирующей рубашкой и дополнительными герметизирующими электроизолирующими вставками, при этом герметизирующая рубашка выполнена в виде кокона, размещенного внутри упомянутого внутреннего канала кольцевого сечения на внешней поверхности кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, а дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки выполнены в виде пленок, повторяющих конфигурацию контуров зазоров в радиальном направлении между бимсовыми шинами и размещены в упомянутых зазорах, при этом герметизирующая рубашка и дополнительные герметизирующие вставки выполнены из высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе, например кремнийорганического компаунда «Эластек», а контактирующие рабочие поверхности упомянутых электропроводящих соединений полупроводниковых ветвей n- и p-типов проводимости и коммутирующие внутренние поверхности упомянутых парусообразных пластин выполнены с рельефными ограничителями, например, в виде шипов.

Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:

- фиг. 1 - термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея (общий вид с частичным разрезом, аксонометрия);

- фиг. 2 - кольцевая термоэлектрическая сборочная единица 6, вид спереди;

- фиг. 3 - кольцевая термоэлектрическая сборочная единица 6, сечение А-А;

- фиг. 4 - размещение внешнего и внутреннего цилиндров 2 и 3 батареи с образованием внутреннего канала 4 кольцевого сечения (без внутренней сборки);

- фиг. 5 - термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея (общий вид с двумя частичными сечениями, аксонометрия);

- фиг. 6 - полупроводниковая ветвь в виде дугообразно изогнутого бруска 7, аксонометрия;

- фиг. 7 - защитный хомутик 25 для полупроводниковой ветви 7;

фиг. 8 - фрагмент соединения полупроводниковой ветви 7 с бимсовыми шинами 11, в разобранном виде;

- фиг. 9 - герметизирующая рубашка в виде кокона 20, аксонометрия;

- фиг. 10 - термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея, вид с торца;

- фиг. 11 - фрагмент соединения полупроводниковых ветвей и внутренних и наружных бимсовых шин 11, в собранном виде;

- фиг. 12 - парусообразная пластина 17 (электропроводящий коммутирующий элемент для соединения шайб 6, аксонометрия;

- фиг. 13 - внешняя электропроводящая шина 11, выполненная в виде бимсового ребра 11, (аксонометрия);

- фиг. 14 - внутреннее бимсовое ребро 11, аксонометрия.

Заявляемая полезная модель - термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея 1 (см. фиг. 1, 2-5) содержит коаксиально размещенные внешний 2 теплоотводящий и внутренний 3 теплоподводящий электроизолирующие цилиндры (поз. 2 и поз. 3) с внутренним каналом 4 кольцевого сечения (фиг. 4), в котором установлены множество кольцевых термоэлектрических сборочных единиц 6 (или узлов). Каждая термоэлектрическая сборочная единица 6 выполнена в виде разрезной шайбы 6 (фиг. 2), составленной из последовательно соединенных полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости (фиг. 1, 2, 5). Каждая ветвь 7 имеет форму дугообразно изогнутого бруска 7 (фиг. 6). Упомянутые бруски 7 установлены с зазором 9 между соседними полупроводниковыми ветвями вдоль кольцевой поверхности разрезной шайбы 6 (фиг. 10, 11). Причем соединениями упомянутых ветвей являются электропроводящие шины 11, имеющие конфигурацию, например, в форме бимсовых ребер 11, которые закреплены соответствующей контактирующей рабочей поверхностью (внутренней) 12 и (внешней) 22 соответственно на внешней 13 и внутренней 14 сторонах полупроводниковых ветвей 7, размещенных вдоль кольцевой поверхности разрезной шайбы 6 (фиг. 1, 5, 8, 11). Каждое бимсовое ребро 11 (или электропроводящая бимсовая шина 11) соединяет последовательно ветвь n-типа одной пары с ветвью р-типа соседней пары (фиг. 11). Между плоскими сторонами соседних шайб 6 размещены дистанционные основные электроизолирующие прокладки 15 (фиг. 1), выполненные, например, из слюдопласта гибкого ИФГ-КАХ 0,3 ТУ 4392-086-00281915-2002. Совмещением разрезов 8 множества упомянутых шайб 6, установленных параллельно друг другу в канале 4, образован общий разрез 16 батареи 1 (фиг. 10). Электропроводящие коммутирующие элементы шайб 6 выполнены, например, в виде парусообразных пластин 17 (фиг. 12), размещенных вдоль разреза 16 батареи 1 (фиг. 5). Парусообразные пластины 17 своими внутренними поверхностями 18 соединяют между собой соседние кольцевые термоэлектрические единицы (шайбы) 6 с возможностью образования из их соединений единой электрической цепи, подключенной к выходным токовым выводам 19 для подключения потребителя (фиг. 1). При этом термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея 1 снабжена герметизирующей рубашкой 20 (фиг. 9) и дополнительными герметизирующими электроизолирующими вставками 21 (фиг. 11). Герметизирующая рубашка выполнена в виде кокона 20, размещенного внутри упомянутого внутреннего канала 4 кольцевого сечения на внешней поверхности кольцевых термоэлектрических сборочных единиц 6 (фиг. 1, 5). Дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки выполнены в виде пленок 21, повторяющих конфигурацию зазоров 10 в радиальном направлении между бимсовыми шинами 11 и размещены в упомянутых зазорах 10 (фиг. 11). Каждая полупроводниковая ветвь 7 снабжена защитным хомутиком 25 (фиг. 7), плотно прилегающим к ее закрытым поверхностям, которые не контактируют с бимсовыми шинами 11 (фиг. 5). При этом герметизирующая рубашка в виде кокона 20, а также дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки 21 и защитные хомутики 25 выполнены из высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе, например, кремнийорганического компаунда марки «Эластек». Причем контактирующие рабочие поверхности 12 и 22 электропроводящих соединений полупроводниковых ветвей 7 n- и p-типов проводимости (то есть бимсовых шин 11) и коммутирующие внутренние поверхности 23 парусообразных пластин 17 выполнены с рельефными ограничителями 24, например, в виде шипов 24 (фиг. 11). При этом (за счет наличия упомянутых рельефных ограничителей 24) между обращенными друг к другу поверхностями каждой бимсовой шины 11 и каждой из полупроводниковых ветвей, а также между аналогичными обращенными друг к другу поверхностями каждой из пластин 17 и каждой шайбы 6 образованы свободные зазоры 10 для размещения демпфирующих прокладок 5 из свинца (см. фиг. 8, 11).

Пояснение термина « кокон»:

1) кокон - это кожух или обертка, защитное образование куколок многих насекомых. «Научно-технический энциклопедический словарь». Enc-dic.com;

2) кокон - оболочка. «Словарь синонимов»;

3) кокон - (фр. Сосоn, - скорлупа) - клубочек из тончайшей паутины, которой обвивают себя гусеницы некоторых насекомых перед обращением в куколку. «Словарь иностранных слов»;

4) кокон - плотный кожушок шелковичной гусенички, кутанка, запрядка. Это такая оболочка, которая защищает что-либо от неблагоприятных условий внешней среды. «Толковый словарь Даля»;

5) кокон - конструкция в виде плотного сплетения из тонких волокон, которым гусеница себя окружает, переходя стадию куколки.

Dik. Academic. Ru. Научно-технический словарь.

Пояснение термина «хомут»:

1) хомут - деталь кольцевой формы, соединяющая что-нибудь. «Большой толковый словарь русского языка. Ушаков Д.Н.»;

2) хомут - это специальное соединительное изделие, предназначенное для крепления и герметизации различных патрубков,

«n.wspb.ru.»;

3) хомут - это крепежное кольцо, плотно облегающее закрепляемый предмет с тугой затяжкой. «Metalloprom.Ru».

Пояснение термина «термостойкость»:

1) термостойкость - способность хрупких материалов противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям.

Chemport.ru.Справочник.

Введение в состав батареи 1 герметизирующей рубашки, выполненной в виде кокона 20, размещенного внутри упомянутого внутреннего канала 4 кольцевого сечения на внешней поверхности кольцевых термоэлектрических сборочных единиц 6, позволило создать в заявляемом устройстве герметичный высокотермостойкий защитный барьер, предотвращающий воздействие неблагоприятных (экстремальных) условий внешней среды на внутренние элементы конструкции. Этот эффект обеспечен следующим. Форма герметизирующей рубашки в виде кокона 20 обеспечила монолитность и герметичность заявляемого устройства. Геометрически надежная форма кокона дополнительно упрочнена примененным материалом: высокомолекулярным термостойким компаундом на кремнийорганической основе, (например, кремнийорганического компаунда марки «Эластек»), обладающим высокими гидрофобными и электроизоляционными свойствами, сохраняющимися после воздействия влаги, и работающий при температурах выше 200°С. Высокомолекулярный термостойкий компаунд на кремнийорганической основе обеспечивает улучшенную высокую герметичность и монолитность технической конструкции герметизирующей рубашки в виде кокона, а также позволяет этой конструкции противостоять, не разрушаясь напряжениям, вызванным высокой температурой эксплуатации (выше 200°С), что обеспечивает бесперебойную работу техники в достаточно жестких условиях. Таким образом, благодаря заявляемой конструкции герметичной рубашки существенно повышена термостойкость батареи 1. Причем повышению термостойкости батареи 1 также содействуют введенные в конструкцию дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки, выполненные в виде пленок 21, повторяющих конфигурацию контуров зазоров 10 в радиальном направлении между бимсовыми шинами 11 и размещенные в упомянутых зазорах 10. Пленки 21 выполнены из того же высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе, из которого выполнен кокон 20. Дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки 21 благодаря своей конструкции повышают тепло- и электроизоляцию тех сторон бимсовых шин 11, которые не контактируют с полупроводниковыми ветвями 7. Таким образом, за счет наличия дополнительных вставок 21 значительно снижается вероятность разрушения шин 11 и полупроводниковых ветвей 7, что содействует повышению термостойкости и электроизоляционной стойкости как полупроводниковых ветвей 7, так и всего устройства.

Повышению термостойкости батареи 1 также содействует новое конструктивное решение, состоящее в том, что контактирующие рабочие поверхности электропроводящих соединений (бимсовых шин 11) полупроводниковых ветвей и коммутирующие внутренние поверхности упомянутых парусообразных пластин выполнены с рельефными ограничителями, например, выполненных в виде шипов 24. Рельеф 24 (например, в виде шипов 24) на поверхностях нагрева бимсовых шин 11 создан для увеличения толщины демпфирующей прокладки 5 из свинца, благодаря чему (из-за высокой пластичности свинцового материала припоя) не возникает высоких термических напряжений и работа устройства при высоких температурных перепадах не приводит к появлению трещин в материалах элементов конструкции, что содействует повышению термостойкости и электроизоляционной стойкости всего устройства.

Также способствует упрочнению конструкции термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи 1 обеспечение всех полупроводниковых ветвей 7 защитными хомутиками 25, выполненными из высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе, например кремнийорганического компаунда марки «Эластек». Защитный хомутик 25 придает каждой полупроводниковой ветви способность противостоять термическим напряжениям при высоких температурах, что указывает на повышение термостойкости, адекватной увеличению продолжительности устойчивого состояния полупроводниковых ветвей при высокой температуре (выше 200°С). Иначе говоря, защитные хомутики 25 предотвращают разрушение полупроводникового материала ветвей и появление в них трещин.

Выполнение из одного материала (высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе) следующих элементов конструкции: герметизирующей рубашки, дополнительных герметизирующих электроизолирующих вставок и защитных хомутиков благодаря существенному повышению термостойкости позволяет всей конструкции противостоять, не разрушаясь термическим напряжениям, вызванным высокой температурой (выше 200°С) частей батареи 1, а также обеспечивает высокую герметичность и монолитность конструкции устройства, что обеспечивает работу техники в достаточно жестких условиях эксплуатации.

Таким образом, благодаря новому техническому решению заявляемого устройства создана конструкция в виде термостойкого защитного барьера, который за счет синергетического эффекта совокупности известных и новых признаков обеспечил появление в конструкции заявляемой термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи нового свойства: высокоэффективной барьерной герметичной защищенности материалов элементов конструкции от воздействия неблагоприятных экстремальных условий внешней среды.

Пояснение термина «синергетический эффект»:

1. синергетический эффект (от греческого слова, означающего «вместе действующий») - возрастание эффективности деятельности в результате интеграции, слияния отдельных частей в единую систему за счет так называемого системного эффекта (эмерджентности).

2. эмерджентность (англ. - возникновение, появление нового) - наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих ее элементам, а также сумме элементов, не связанных особыми системообразующими свойствами.

Источник информации: Ru. Wikipedia. ru

Работу заявляемой термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи 1 можно рассмотреть на следующем примере (см. фиг. 1-). Термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея 1 устанавливается на источник тепла (на фиг. не показан), имеющий цилиндрическую форму. С наружной стороны упомянутой батареи 1 устанавливается холодный радиатор (на фиг. не показан). Тепло от источника тепла поступает на внутренний теплоподводящий электроизолирующий цилиндр 3, от которого тепловой поток поступает к внутренним поверхностям полупроводниковых ветвей 7 через внутренние электропроводящие соединения полупроводниковых ветвей (через бимсовые шины 11), а именно через те бимсовые шины 11, которые размещены между внутренним теплоподводящим цилиндром 3 и внутренними сторонами полупроводниковых ветвей 7. От контактирующих рабочих поверхностей внутренних бимсовых шин 11 тепловой поток поступает к внутренним поверхностям полупроводниковых ветвей 7. Одновременно с этим происходит отвод тепла от внешних 13 поверхностей полупроводниковых ветвей 7 посредством контакта внешних 13 поверхностей этих ветвей с контактирующими рабочими поверхностями внешних бимсовых шин 11 и контактирующего с ними внешнего теплоотводящего цилиндра 2 (см. фиг. 1-3). При прохождении тепловых потоков по полупроводниковым ветвям 7 создается перепад температур, при котором, благодаря эффекту Зеебека (возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах), возникает термоэлектродвижущая сила и в цепи последовательно соединенных пар ветвей 7 в каждой кольцевой термоэлектрической сборочной единице 6 (разрезной шайбе 6) генерируется электрический ток, и, следовательно, электрический ток возникает и в цепи разрезных шайб 6, соединенных электропроводящими коммутирующими парусообразными пластинами 17. Электрическая цепь из соединенных разрезных шайб 6 подключена к выходным токовым выводам 19, при подключении к которым электрический ток подводится к потребителю в установленном режиме.

Как показали экспериментальные проработки, заявляемая конструкция термоэлектрической цилиндрической генераторной батареи отличается от известных конструкций повышенной термостойкостью. Опытная эксплуатация заявляемой батареи подтвердила ее работоспособность. Термостойкость до 1300 теплосмен подтверждена стендовыми испытаниями. Также подтверждено обеспечение повышения КПД при выработке электрической энергии. Достигнуты заявленные технико-экономические результаты.

В настоящее время идут подготовительные работы по выпуску серийных изделий данной конструкции термоэлектрических цилиндрических генераторных батарей.

Таким образом, заявляемое техническое решение представляет собой оригинальную высоконадежную термоэлектрическую генераторную батарею, конструкция которой отличается от известных решений высокими термостойкостью, герметичностью и надежностью эксплуатации, выносливостью и повышенной прочностью, длительным ресурсом безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях.

В созданной конструкции заявляемого устройства решены поставленные задачи и разработанное техническое решение при эксплуатации в жестких экстремальных условиях обладает:

- оптимальными компактностью, герметичностью, технологичностью и простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам,

- стабильностью получения заданных выходных параметров,

- повышенными прочностью, термостойкостью, коррозионной стойкостью, электроизоляционной стойкостью и выносливостью как основных элементов конструкции, так и соединяющих их средств;

- устойчивостью к вибрациям и ударным нагрузкам (механические удары одиночного и многократного действия: 500/20g, синусоидальные вибрации с диапазоном частот 5÷500 Гц с амплитудой виброускорения 3g);

- длительным ресурсом безаварийной работы в жестких экстремальных условиях;

- высокой надежностью эксплуатации и обеспечением высокого уровня пожароустойчивости при эксплуатации в жестких экстремальных условиях;

- обеспечением требований к долговечности и сохраняемости: назначенный полный срок службы - не менее 10 лет, назначенный ресурс - не менее 6000 часов;

- длительным ресурсом безаварийной работы и стабильными выходными параметрами при эксплуатации в жестких экстремальных условиях.

Claims (1)

1. Термоэлектрическая цилиндрическая генераторная батарея, содержащая коаксиально размещенные внешний теплоотводящий и внутренний теплоподводящий электроизолирующие цилиндры с внутренним каналом кольцевого сечения, в котором установлены множество кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, каждая из которых выполнена в виде разрезной шайбы, составленной из последовательно соединенных полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно изогнутых брусков, установленных с зазором между соседними полупроводниковыми ветвями вдоль кольцевой поверхности разрезной шайбы, при этом соединения упомянутых ветвей в виде электропроводящих шин, выполненных, например, в форме бимсовых ребер, закреплены контактирующей рабочей поверхностью на внешней и внутренней сторонах ветвей упомянутой разрезной шайбы, между соседними плоскими сторонами каждой из которых размещены дистанционные основные электроизолирующие прокладки, а электропроводящие коммутирующие элементы кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, например, в виде размещенных вдоль разреза батареи парусообразных пластин, внутренними поверхностями соединяют соседние кольцевые термоэлектрические сборочные единицы с возможностью образования из их соединений единой электрической цепи, подключенной к выходным токовым выводам для подключения потребителя, отличающаяся тем, что она снабжена герметизирующей рубашкой и дополнительными герметизирующими электроизолирующими вставками, при этом герметизирующая рубашка выполнена в виде кокона, размещенного внутри упомянутого внутреннего канала кольцевого сечения на внешней поверхности кольцевых термоэлектрических сборочных единиц, а дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки выполнены в виде пленок, повторяющих конфигурацию контуров зазоров в радиальном направлении между бимсовыми шинами и размещены в упомянутых зазорах, при этом герметизирующая рубашка и дополнительные герметизирующие электроизолирующие вставки выполнены из высокомолекулярного термостойкого компаунда на кремнийорганической основе, например кремнийорганического компаунда марки «Эластек», а контактирующие рабочие поверхности упомянутых электропроводящих соединений полупроводниковых ветвей n- и p-типа и коммутирующие внутренние поверхности упомянутых парусообразных пластин выполнены с рельефными ограничителями, например, в виде шипов.

Images