Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к конструкции термоэлектрического генератора с воздушным охлаждением естественным или принудительным.The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, namely, to the design of a thermoelectric generator with air cooling, natural or forced.
Известна конструкция термоэлектрического генератора (ТЭГ), содержащая источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены термоэлектрические модули и радиаторы воздушного охлаждения (см. Р.В. Ковальский. Инженерные методы расчета термоэлектрических генераторов. Стр. 50, рис. 2.1, издательство «Наука», 1990 г.). Однако известное решение имеет ряд существенных недостатков, основной из которых связан с большим объемом механических и сварных работ, вызванных необходимостью фрезеровки в алюминиевом основании радиатора пазов под алюминиевые ребра охлаждения с последующей сваркой каждого ребра по всей длине и последующей шлифовкой теплосъемной поверхности радиатора. Другие технологии соединения основания с ребрами охлаждения не обеспечивают требуемого термического сопротивления в зоне их контактирования, например, плотная посадка, зачеканка и необходимой однородности температурного поля по холодной стороне составной части ТЭГ термоэлектрического модуля (ТЭМ), что отрицательно сказывается на энергетических характеристиках ТЭМ и, следовательно, термоэлектрического генератора. Некоторые технологии, например, экструзия, литье, позволяют получить радиаторы с хорошим теплоконтактом между основанием радиатора и его ребрами охлаждения, но такие радиаторы имеют короткие ребра и рассчитаны на небольшие тепловые потоки (0,1-0,5 Вт/см'') существующие в радиотехнических устройствах. В ТЭГах генерируемая в нагрузку электрическая мощность пропорциональна величине теплового потока, проходящего через радиатор, который в наиболее распространенных конструкциях, например, газовых генераторах (ТЭГах) с востребованной мощностью 150-500 Вт и более составляет 8-10 Вт/см2.There is a known design of a thermoelectric generator (TEG) containing a heat source with a heat sink, on the working surface of which thermoelectric modules and air-cooled radiators are successively installed in the heat ratio (see RV Kovalsky. Engineering methods for calculating thermoelectric generators. Page 50, Fig. 2.1, publishing house "Science", 1990). However, the known solution has a number of significant drawbacks, the main of which is associated with a large amount of mechanical and welding work caused by the necessity of milling grooves in the aluminum base of the radiator for aluminum cooling fins, followed by welding of each rib along the entire length and subsequent grinding of the radiator heat-removing surface. Other technologies for connecting the base with cooling fins do not provide the required thermal resistance in the area of their contact, for example, tight fit, caulking and the necessary uniformity of the temperature field along the cold side of the TEG component of the thermoelectric module (TEM), which negatively affects the energy characteristics of the TEM and therefore thermoelectric generator. Some technologies, for example, extrusion, casting, make it possible to obtain radiators with good heat contact between the base of the radiator and its cooling fins, but such radiators have short fins and are designed for small heat fluxes (0.1-0.5 W / cm``) existing in radio devices. In TEGs, the electric power generated in the load is proportional to the amount of heat flow passing through the radiator, which in the most common designs, for example, gas generators (TEGs) with a required power of 150-500 W or more, is 8-10 W / cm 2 .
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является известная конструкция термоэлектрического генератора, содержащая источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении установлены термоэлектрический модуль и основание воздушного радиатора, снабженного неподвижно установленными ребрами охлаждения, выполненными из теплопроводных материалов. (См. Ржевский В.М., Тереков А.Я. Перспективы развития термоэлектрической энергетики. «Автономная энергетика», №21, 2006 г., стр. 23-30, рис. 5, издание ОАО НПП «КВАНТ»).The closest in technical essence to the proposed solution is the known construction of a thermoelectric generator containing a heat source with a heat sink, on the working surface of which a thermoelectric module and a base of an air radiator equipped with motionless mounted cooling fins made of heat-conducting materials are sequentially installed in the heat ratio. (See. Rzhevsky V.M., Terekov A.Ya. Prospects for the development of thermoelectric energy. "Autonomous Energy", No. 21, 2006, pp. 23-30, Fig. 5, publication of NPP KVANT OJSC).
Однако и это решение обладает вышеперечисленными недостатками, свойственными аналогу. Кроме того это известное решение сложно в изготовлении, имеет большой процент отходов при обработке основания радиатора. Кроме того и радиатор, и его ребра охлаждения изготавливаются из одного и того же материала, например алюминия, что не позволяет сделать радиатор комбинированным из разных материалов и использовать достижения материаловедения в области создания новых теплопроводных материалов, например, композитов, обладающих меньшим весом и низкой стоимостью.However, this solution also has the above disadvantages inherent in the analogue. In addition, this known solution is difficult to manufacture, has a large percentage of waste when processing the base of the radiator. In addition, both the radiator and its cooling fins are made of the same material, for example aluminum, which does not allow the radiator to be combined from different materials and use the achievements of materials science in the field of creating new heat-conducting materials, for example, composites with lower weight and low cost .
Для устранения указанных выше недостатков и повышения эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую, предлагается конструкция термоэлектрического генератора, содержащая источник тепла с теплоприемником, на рабочей поверхности которого последовательно в тепловом отношении укреплены термоэлектрический модуль и основание воздушного радиатора, снабженного ребрами охлаждения, выполненными из теплового материала, в которой радиатор изготовлен в виде набора установленных в одной горизонтальной плоскости и параллельно друг другу последовательно чередующих пластин разной высоты, соединенных неподвижно между собой боковыми сторонами так, что низкие пластины образуют основание радиатора, а высокие и основание радиатора и его ребра охлаждения, причем ширина низких пластин равна расстоянию между ребрами, а их высота прямо пропорциональна отводимому тепловому потоку и обратно пропорциональна их теплопроводности и гидравлическому сопротивлению воздушного потока межреберного зазора радиатора, а неподвижное соединение всех низких и высоких пластин между собой выполнено с помощью стяжных шпилек, расположенных в параллельных сквозных отверстиях в пластинах перпендикулярно плоскостям их соприкосновения, при этом боковые поверхности всех пластин в зоне контакта между собой снабжены покрытием из меди, никеля, серебра и сплавов на их основе, в этом случае неподвижное соединение пластин между собой с помощью пайки или диффузионной сварки может быть изготовлено более качественно, причем боковые поверхности ребер охлаждения параллельны направлению проходящего через них воздушного потока, или что боковые поверхности ребер охлаждения повернуты под углом на 10-25°С к продольной оси основания радиатора и направлению воздушного потока, а боковые поверхности ребер охлаждения выполнены гладкостенными, или боковые поверхности ребер имеют, по крайней мере, с внутренней стороны штампованные конусообразные выступы, высота которых не превышает расстояния между ребрами. Высокие ребра радиатора имеют в сечении волнообразный профиль в части выходящей по высоте за пределы основания, образуемого низкими пластинами, причем основание и ребра радиатора выполнены из меди, алюминия, никеля, сплавов на их основе или теплопроводных композитных материалов, или оптимального сочетания вышеперечисленных материалов, а крайне (боковые) ребра охлаждения имеют в вершине Г-образный консольный изгиб, причем консольные части направлены друг другу и по длине, по крайней мере, равны половине ширины радиатора, и стяжные шпильки выполнены из теплопроводных материалов, например, никеля, молибдена, меди, сплавов на их основе и низкоуглеродистой стали, кроме того неподвижное соединение всех пластин выполнено в виде их склеивания.To eliminate the above drawbacks and increase the efficiency of converting thermal energy into electrical energy, a thermoelectric generator design is proposed, comprising a heat source with a heat sink, on the working surface of which a thermoelectric module and a base of an air radiator equipped with cooling fins made of thermal material are thermally strengthened, in which the radiator is made in the form of a set installed in one horizontal plane and in parallel to each other sequentially alternating plates of different heights, fixed sideways to each other so that the low plates form the base of the radiator, and the high and the base of the radiator and its cooling fins, the width of the low plates being equal to the distance between the fins, and their height is directly proportional to the heat flux and inversely proportional to their thermal conductivity and hydraulic resistance of the air flow of the intercostal radiator gap, and the fixed connection of all low and high plates between made by means of tie rods located in parallel through holes in the plates perpendicular to the planes of their contact, while the lateral surfaces of all plates in the contact zone are provided with a coating of copper, nickel, silver and alloys based on them, in this case a fixed connection of the plates with each other using soldering or diffusion welding can be made more efficiently, and the side surfaces of the cooling fins are parallel to the direction of the air flow passing through them, or and that the side surfaces of the cooling fins are rotated at an angle of 10-25 ° C to the longitudinal axis of the radiator base and the direction of the air flow, and the side surfaces of the cooling fins are smooth-walled, or the side surfaces of the fins have stamped conical protrusions at least from the inside, whose height does not exceed the distance between the ribs. High radiator fins have a section in the form of a wave-like profile in part extending in height beyond the base formed by low plates, and the base and fins of the radiator are made of copper, aluminum, nickel, alloys based on them or heat-conducting composite materials, or the optimal combination of the above materials, and extremely (lateral) cooling fins have a L-shaped cantilever bend at the apex, with the cantilever parts directed to each other and at least equal to half the width of the radiator along the length, and tie rods are made of thermally conductive materials such as nickel, molybdenum, copper, their alloys and low carbon steel, besides a fixed connection of the plates is in the form of bonding.
Предложенная конструкция термоэлектрического генератора поясняется чертежом (рис. 1), где Q - источник тепла, 1 - теплоприемник термоэлектрического генератора, 2 - термоэлектрический модуль (ТЭМ), образующий вместе с теплоприемником и радиатором термоэлектрический генератор (ТЭГ), 3 - электрическая изоляция, 4 - основание радиатора, состоящее из соединенных между собой низких пластин, 5 - высоких пластин ребер охлаждения радиатора, 6 - боковые Г-образные ребра радиатора, 7 - стяжная шпилька, 8 - тарельчатая пружина, 9 - стяжная гайка, Rн - полезная электрическая нагрузка ТЭГ.The proposed design of the thermoelectric generator is illustrated by the drawing (Fig. 1), where Q is the heat source, 1 is the heat receiver of the thermoelectric generator, 2 is the thermoelectric module (TEM), which forms a thermoelectric generator (TEG) together with the heat receiver and radiator, 3 is electrical insulation, 4 - the radiator base, consisting of low plates interconnected, 5 - high plates of radiator cooling fins, 6 - lateral L-shaped radiator fins, 7 - coupling pin, 8 - Belleville spring, 9 - coupling nut, R n - useful electric Tric load TEG.
Термоэлектрический генератор (ТЭГ) предложенной конструкции работает следующим образом. При включении источника теплового потока (Q), например, газовой горелки, тепло через теплоприемник (1) ТЭГа поступает на термоэлектрический модуль (2) и затем сбрасывается в окружающую среду с помощью радиатора, состоящего из основания (4) и ребер охлаждения (5, 6). Для более эффективного отвода тепла от термоэлектрического модуля, консольные части боковых ребер радиатора (6) изогнуты навстречу друг другу до, как минимум, соприкосновения изогнутых частей, благодаря чему происходит концентрация воздушного потока проходящего через ребра радиатора и повышение его эффективности, а, следовательно, и увеличение электрической мощности ТЭГ, генерируемой в нагрузку.Thermoelectric generator (TEG) of the proposed design works as follows. When a heat flow source (Q), for example, a gas burner, is turned on, heat through a heat receiver (1) of a TEG is supplied to a thermoelectric module (2) and then discharged into the environment using a radiator consisting of a base (4) and cooling fins (5, 6). For more efficient heat removal from the thermoelectric module, the cantilever parts of the side ribs of the radiator (6) are bent towards each other until at least the contact of the curved parts, due to which there is a concentration of the air flow passing through the ribs of the radiator and increase its efficiency, and, consequently, increase in electric power of TEG generated in the load.
Экспериментальная проверка предложенной ТЭГ показала, что генерируемая им удельная электрическая мощность составляет 0,9-1,0 Вт/см2, это находится на уровне лучших мировых образцов. При этом при изготовлении ТЭГ в частности его радиаторов не требуется трудоемких операций, например, фрезерование канавок в основании под ребра охлаждения с последующей их сваркой с основанием, что значительно снижает себестоимость ТЭГ, при одновременном повышении его энергетической эффективности.An experimental verification of the proposed TEG showed that the specific electric power generated by it is 0.9-1.0 W / cm 2 , which is at the level of the best world samples. At the same time, in the manufacture of TEG in particular its radiators, labor-intensive operations are not required, for example, milling grooves in the base under the cooling fins with their subsequent welding with the base, which significantly reduces the cost of TEG, while increasing its energy efficiency.
Конструкция радиатора для ТЭГ считается по известным методикам, так, например для ТЭГ через термоэлектрический модуль которого проходит удельный тепловой исток 10-12 Вт/см2 высота низких ребер (4), образующих основание составляет 15-17 мм, при их ширине 3-4 мм, составляющем межреберный зазор для высоких ребер радиатора (5), а длина ребер как коротких так и длинных определяется геометрическими размерами термоэлектрического модуля (2) являющегося составной частью ТЭГ, и на 8-10% превышает длину последнего. Высота длинных ребер радиатора (5) так же определяется расчетным путем и, например, для вышеуказанного теплового потока составляет 150-170 мм при размере сечения (толщине) 1,5-1,7 мм. Для конструкции радиатора, образуемой ребрами (4, 5) выбираются материалы с максимально большей теплопроводностью, например, меди, алюминия, никеля, молибдена или композитов, например, стеклоуглерода с наполнителем в виде синтетической алмазной пыли, оптимального сочетания вышеперечисленных материалов. Такая оптимизация возможна только в сборном радиаторе предложенной конструкции.The design of the radiator for TEG is considered according to well-known methods, for example, for TEG, the specific heat source 10-12 W / cm 2 passes through the thermoelectric module, the height of the low fins (4) forming the base is 15-17 mm, with a width of 3-4 mm, which makes up the intercostal gap for high radiator fins (5), and the length of the fins, both short and long, is determined by the geometric dimensions of the thermoelectric module (2), which is an integral part of the TEG, and is 8-10% longer than the length of the latter. The height of the long radiator fins (5) is also determined by calculation and, for example, for the above heat flux is 150-170 mm with a section size (thickness) of 1.5-1.7 mm. For the design of the radiator formed by the fins (4, 5), materials with the highest thermal conductivity, for example, copper, aluminum, nickel, molybdenum or composites, for example, glassy carbon with filler in the form of synthetic diamond dust, the optimal combination of the above materials, are selected. Such optimization is possible only in the prefabricated radiator of the proposed design.
Соединение радиатора с ТЭМ осуществляется любым из известных способов, например, пайки, склеивания, диффузионной сварки или теплопроводной пасты. Возможен так же пружинный поджим радиатора по известной схеме. Ширина радиатора (как показано на рис. 1) так же превосходит ширину ТЭМ (как и длину) на 8-10% с целью увеличения перепада температуры (ΔT) на ТЭМ, мощность которого пропорциональна ΔT в квадрате. Возможен так же пружинный поджим радиатора по известной схеме.The radiator is connected to the TEM using any of the known methods, for example, soldering, gluing, diffusion welding or heat-conducting paste. A spring preload of the radiator is also possible according to the known scheme. The radiator width (as shown in Fig. 1) also exceeds the width of the TEM (as well as the length) by 8-10% in order to increase the temperature difference (ΔT) on the TEM, the power of which is proportional to ΔT squared. A spring preload of the radiator is also possible according to the known scheme.
