RU225835U1 - Портативное зарядное устройство на элементах Пельтье - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, основанного на эффекте Зеебека, в частности к преобразователям тепла свечей, газовых горелок, костров в электричество, и предназначена для применения в полевых условиях и чрезвычайных ситуациях. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, относящихся к преобразователям тепловой энергии в электрическую, и в создании портативного зарядного устройства на элементах Пельтье. Указанное устройство характеризуется тем, что содержит нижнюю нагреваемую и верхнюю охлаждаемую части с расположенными между ними элементами Пельтье (2). При этом в нижней части указанное устройство содержит алюминиевый корпус (1), являющийся теплоприемником, выполненный коробчатой прямоугольной формы с ровным расположенным вверху основанием, на котором установлены элементы Пельтье (2). Верхняя часть указанного устройства содержит алюминиевый радиатор (3), имеющий ровное основание, примыкающее к элементам Пельтье, и ребра для воздушного охлаждения. При этом радиатор закреплен на основании указанного корпуса с помощью болтовых соединений. Над центральной частью радиатора установлен осевой малогабаритный вентилятор (4), образующий с радиатором (3) систему охлаждения. Кроме того, верхняя часть устройства снабжена крышкой с защитной сеткой (7), расположенной над вентилятором (4), а провода (5) элементов Пельтье, расположенных между указанными частями устройства, последовательно соединены между собой и выведены на понижающий преобразователь с USB-разъемом (6) для подключения заряжаемых устройств. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, основанного на эффекте Зеебека, в частности к преобразователям тепла свечей, газовых горелок, костров в электричество, и предназначена для применения в полевых условиях и чрезвычайных ситуациях в качестве источника электроэнергии малой мощности от преобразованного тепла для автономного питания устройств.

Из уровня техники известен автономный малогабаритный термоэлектрический источник тока, содержащий установленную в корпусе заполненную жидким теплоносителем гравитационную тепловую трубу и размещенную поверх нее термоэлектрическую батарею с электрическими соединениями, подведенными к разъему для подключения потребителя (Патент РФ № 57969 U1, дата приоритета 21.06.2006, дата публикации 27.10.2006, авторы: Иванов А.С. и др., RU).

Недостатками аналога являются: во-первых, сложность конструкции, обусловленная конструктивной сложностью нижней части; во-вторых, необходимость использования в системе охлаждения циркулирующей холодной воды; в-третьих, высокий габарит по длине (760 мм); в-четвертых, достаточно высокий вес (20 кг).

Известно автономное зарядное устройство, содержащее последовательно соединенные полупроводниковый термоэлектрический генератор, переключатель режимов работы, повышающий преобразователь напряжения и нагрузку, а также блок элементов питания, входы переключателя соединены соответственно с выходами полупроводникового термоэлектрического генератора и блока элементов питания, а выход переключателя подключен к входу повышающего преобразователя напряжения, к выходу которого подключена внешняя нагрузка. Выполнение функции зарядки аккумулятора или питания других потребителей обеспечивается за счет прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, согласно эффекту Зеебека (Патент РФ № 113875 U1, дата приоритета 04.05.2011, дата публикации 27.02.2012, автор Васильев Г.И., RU).

Недостатками этого устройства являются: наличие элементов питания и охлаждение термоэлектрического генератора только за счет радиатора.

В качестве прототипа принято устройство выработки постоянного электрического тока и тепловой энергии на основе эффектов Пельтье и Зеебека, включающее термостойкую пленку с закрепленными на ней элементами Пельтье, к одной стороне которых прикреплена полоса из сплава с высоким удельным электрическим сопротивлением, при этом элементы Пельтье разделены на две группы, провода одной группы элементов Пельтье соединены между собой параллельно и соединены с полосой из сплава с высоким удельным электрическим сопротивлением и с возможностью соединения с источником энергии, провода второй группы элементов Пельтье соединены между собой последовательно и с возможностью соединения с потребителем энергии (Патент РФ № 172976 U1, дата приоритета 01.03.2017, дата публикации 02.08.2017, автор Азнабаев Р.Р., RU, прототип).

Недостатками прототипа являются; низкая надежность, обусловленная закреплением элементов Пельтье на термостойкой пленке, и использование естественного охлаждения в условиях перепада температур.

Технической проблемой, решаемой полезной моделью, является создание портативного, а именно малогабаритного, легкого и удобного при использовании зарядного устройства на элементах Пельтье, нагреваемого от любого источника тепла в полевых условиях и имеющего более эффективное воздушное охлаждение за счет радиатора и вентилятора для получения большей разницы температур, необходимой для реализации эффекта Зеебека и повышения КПД.

Для решения технической проблемы и достижения технического результата предложено портативное зарядное устройство на элементах Пельтье, представляющее собой устройство выработки постоянного тока на основе эффекта Зеебека, характеризующееся тем, что содержит нижнюю нагреваемую и верхнюю охлаждаемую части с расположенными между ними элементами Пельтье. При этом в нижней части указанное устройство содержит алюминиевый корпус, являющийся теплоприемником, выполненный коробчатой прямоугольной формы с ровным расположенным вверху основанием, на котором с использованием теплопроводной термопасты установлены элементы Пельтье. Верхняя часть указанного устройства содержит алюминиевый радиатор, имеющий ровное основание, примыкающее с использованием теплопроводной термопасты к элементам Пельтье, и ребра для воздушного охлаждения. При этом радиатор закреплен на основании указанного корпуса с помощью болтовых соединений. Над центральной частью радиатора установлен осевой малогабаритный вентилятор, закрепленный с помощью вспененного двухстороннего скотча на радиаторе, причем указанный вентилятор совместно с указанным радиатором образуют систему охлаждения, предназначенную для отвода тепла от устройства и достижения большей разницы температур между нижней нагреваемой частью устройства и верхней охлаждаемой частью. Кроме того, верхняя часть устройства снабжена крышкой с защитной сеткой, расположенной над вентилятором, причем указанная крышка соединена с корпусом устройства с помощью вспененного двухстороннего скотча, а провода элементов Пельтье, расположенных между указанными частями устройства, последовательно соединены между собой и выведены на понижающий преобразователь с USB-разъемом для подключения заряжаемого устройства и указанного вентилятора.

Согласно полезной модели, в устройстве использованы элементы Пельтье марки ТЕС-12715, которые установлены на основании указанного корпуса в два ряда по четыре элемента в каждом.

Согласно полезной модели, элементы Пельтье установлены и зажаты между основанием корпуса и радиатором с использованием теплопроводной термопасты.

Согласно полезной модели, указанный вентилятор подключен к электропитанию за счет частичного использования преобразованной электроэнергии.

На фиг.1 схематично изображено портативное зарядное устройство на элементах Пельтье, общий вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид слева; на фиг. 3 - то же, вид сверху; на фиг. 4 - схема подключения вентилятора.

На чертежах приведены следующие обозначения позиций:

1 - алюминиевый корпус;

2 - элементы Пельтье;

3 - алюминиевый радиатор;

4 - осевой малогабаритный вентилятор;

5 - провода, выведенные от последовательно соединенных элементов Пельтье;

6 - понижающий преобразователь с USB-разъемом;

7 - крышка с защитной сеткой.

Заявляемое портативное зарядное устройство на элементах Пельтье является устройством выработки постоянного электрического тока на основе эффекта Зеебека, применяемым в полевых условиях при отсутствии источников электроэнергии, состоящим из нижней нагреваемой и верхней охлаждаемой частей (Фиг.1 - Фиг. 3). Нижняя часть устройства представляет собой алюминиевый корпус 1, являющийся теплоприемником, выполненный коробчатой прямоугольной формы с ровным расположенным вверху основанием. При этом алюминий использован как наиболее легкий металл с хорошей теплопроводностью, а конструктивная форма обеспечивает концентрацию теплового потока в теплоприемнике путем уменьшения рассеивания тепловых и световых потоков. На основании указанного корпуса 1 установлены элементы Пельтье 2 марки ТЕС1-12715, имеющие размеры 40х40х4 (мм), выполненные в сборе с проводами (https://mcustore.ru/store/ispolnitelnye-moduli/element-pelte-tec1-12715/, дата просмотра 12.12.2023). Указанные элементы Пельтье 2 расположены в два ряда по четыре элемента в каждом. Данное расположение является оптимальным для обеспечения компактности устройства и достижения необходимых для зарядного устройства технических характеристик. Верхняя часть устройства содержит алюминиевый радиатор 3, имеющий ровное основание, примыкающее к элементам Пельтье 2, и ребра для воздушного охлаждения, причем для улучшения теплопроводности элементы Пельтье, расположенные между основаниями корпуса и радиатора, установлены с использованием теплопроводной термопасты КПТ-8 (https://www.dns-shop.ru/product/56715616caac3120/termopasta-kpt-8-kpt-8-8- gr/?utm_medium=organic&utm_source=google). Радиатор 3 закреплен на основании указанного корпуса 1 с помощью болтовых соединений с возможностью зажатия элементов Пельтье 2 между основаниями корпуса 1 и радиатора 3. Над центральной частью радиатора установлен осевой малогабаритный вентилятор 4 марки SUNON MEC0251V3-A99 (https://sunon.ru/filters/ventilyator-120x120/). Указанный вентилятор с диаметром 120 мм закреплен на радиаторе с помощью вспененного двухстороннего скотча. Верхняя часть устройства также снабжена крышкой 7 с защитной сеткой, расположенной над вентилятором. Указанная крышка 7 выполнена на 3D-принтере из пластика с впаянной защитной сеткой из стекловолокна для облегчения устройства. Крышка 7 соединена с корпусом 1 устройства с помощью вспененного двухстороннего скотча (условно не показано). Радиатор 3 совместно с вентилятором 4 образуют в верхней части систему охлаждения, предназначенную для отвода тепла от устройства и достижения большей разницы температур между нижней нагреваемой частью устройства и верхней охлаждаемой частью, а провода элементов Пельтье, расположенных между указанными частями устройства, последовательно соединены между собой для получения стабильного электрического тока и выведены на понижающий преобразователь DC-DC с USB-разъемом 6 (OSKJ Китай). Указанный преобразователь может принимать напряжение от 6 до 24 В и используется для стабилизации электрического тока и понижения напряжения до 5 В, что необходимо для эффективной зарядки аккумуляторных батарей. Кроме того, в устройстве имеется включение вентилятора в электрическую схему для потребления части преобразованного электрического тока (Фиг.4).

Принцип действия устройства.

Физической основой работы устройства является эффект Зеебека. Эффект Зеебека - явление возникновения электродвижущей силы (ЭДС) на концах последовательно соединённых разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах. Эффект Зеебека относится к классу термоэлектрических эффектов.

Термоэлектрический эффект заключается в производстве термопар, состоящих из 2-х разнородных сплавов, которые при контакте образуют замкнутый контур. Каждый металл имеет свой коэффициент Зеебека, из-за чего между нагретым и не нагретым проводниками термопары появляется напряжение. Именно за счет этого напряжения и определяется термическая составляющая, так как оно прямо пропорционально разности температурных значений металлов.

Главным образом, эффект Зеебека действует по принципу того, что в замкнутом контуре двух разных материалов ЭДС появляется тогда, когда их контакты имеют разные температурные значения. Иными словами, значение ЭДС зависит от состава проводников и их температур. Если в наличии проводника есть температурный градиент, то по всей его длине будет наблюдаться увеличенная скорость электронов на нагретом конце и более низкая на не нагретом. По законам физики, электроны с нагретого конца направятся к противоположной стороне. В данном участке будет скапливаться отрицательный заряд. Противоположная сторона будет иметь накопление положительно заряженных частиц.

Заряды будут накапливаться до тех пор, пока потенциальное отличие не достигнет показателей, при которых электроны потекут обратно. В данных условиях потенциал начнет приобретать равновесие.

Физическим устройством для реализации эффекта Зеебека выбран элемент Пельтье, вырабатывающий электроэнергию при нагреве.

Источником тепла для устройства предполагается любой источник тепла в полевых условиях, например: свечи, газовая горелка, костер. Устройство предполагается использовать в любое время года, однако предпочтительнее использование в зимний период, так как именно при отрицательных температурах окружающего воздуха достигается максимальное КПД. Возможно также использование устройства в теплые сезоны года, но при этом следует учитывать возможность перегрева или общее снижение производительности.

Перед использованием портативное зарядное устройство на элементах Пельтье устанавливается над источником тепла с помощью держателя для осуществления равномерного прогрева основания корпуса 1 устройства. К понижающему DC-DC преобразователю со встроенным USB-разъемом 6 подсоединяется аккумуляторная батарея, powerbank. В течение 1-2 минут прогрева начинается выработка электричества и осуществляется зарядка подсоединенного устройства.

Приведенное в примере выполнения устройство характеризуется, как портативное, легкое (1,2 кг), малогабаритное с размерами 210х120х86 (мм), одинаково эффективное при различных источниках тепла в полевых условиях и не требующее специального вида топлива устройство прямого преобразования тепловой энергии в электричество на элементах Пельтье, применимое в полевых условиях и чрезвычайных ситуациях, способное восполнить за 2 часа работы суточную потребность 1 человека в электричестве для зарядки электронных устройств (10 Втч).

Технический результат, достигаемый полезной моделью, заключается в расширении арсенала технических средств, относящихся к преобразователям тепловой энергии в электрическую, и в создании портативного зарядного устройства на элементах Пельтье, предназначенного для применения в полевых условиях.

Claims (4)

1. Портативное зарядное устройство на элементах Пельтье, представляющее собой устройство выработки постоянного тока на основе эффекта Зеебека, характеризующееся тем, что содержит нижнюю нагреваемую и верхнюю охлаждаемую части с расположенными между ними элементами Пельтье, при этом в нижней части указанное устройство содержит алюминиевый корпус, являющийся теплоприемником, выполненный коробчатой прямоугольной формы с ровным расположенным вверху основанием, на котором установлены элементы Пельтье, верхняя часть указанного устройства содержит алюминиевый радиатор, имеющий ровное основание, примыкающее к элементам Пельтье, причем для улучшения теплопроводности элементы Пельтье, расположенные между основаниями корпуса и радиатора, установлены с использованием теплопроводной термопасты, и ребра для воздушного охлаждения, при этом радиатор закреплен на основании указанного корпуса с помощью болтовых соединений, над центральной частью радиатора установлен осевой малогабаритный вентилятор, закрепленный на радиаторе с помощью вспененного двухстороннего скотча, причем указанный вентилятор совместно с указанным радиатором образуют систему охлаждения, предназначенную для отвода тепла от устройства и достижения большей разницы температур между нижней нагреваемой частью устройства и верхней охлаждаемой частью, кроме того, верхняя часть устройства снабжена крышкой с защитной сеткой, расположенной над вентилятором, причем указанная крышка соединена с корпусом устройства с помощью вспененного двухстороннего скотча, а провода элементов Пельтье, расположенных между указанными частями устройства, последовательно соединены между собой и выведены на понижающий преобразователь с USB-разъемом для подключения заряжаемого устройства и указанного вентилятора.

2. Портативное зарядное устройство на элементах Пельтье по п. 1, характеризующееся тем, что в нем использованы элементы Пельтье марки ТЕС-12715, которые установлены на основании указанного корпуса в два ряда по 4 элемента в каждом.

3. Портативное зарядное устройство на элементах Пельтье по п. 1, характеризующееся тем, что элементы Пельтье установлены и зажаты между основаниями корпуса и радиатора с использованием теплопроводной термопасты.

4. Портативное зарядное устройство на элементах Пельтье по п. 1, характеризующееся тем, что указанный вентилятор подключен к электропитанию за счет частичного использования преобразованной электроэнергии.