RU2773632C1

RU2773632C1 - Rod thermoelectric generator

Info

Publication number: RU2773632C1
Application number: RU2021128452A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Ежов
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2022-06-06

Abstract

FIELD: thermal power engineering.

SUBSTANCE: invention relates to thermal power engineering and can be used to convert thermal energy into electrical energy. The thermoelectric generator contains a prefabricated housing, consisting of a top cover and a bottom, which are made with horizontal oval grooves on the inside, side boards, equipped with round nests on the inside, located opposite each oval groove, flanged end caps. The cover and bottom are made of dielectric material with high thermal conductivity. The side boards are made of dielectric material with low thermal conductivity. Inside the case, rods made of wire segments of metals M1 and M2, soldered or welded together along their entire length, are inserted horizontally through oval grooves parallel to its ends into the upper and lower sockets through oval grooves. In the gaps between the rods and the surface of the oval grooves, a number of wire segments are passed, made of flexible metal with high electrical conductivity, which are pressed to the rods by the surfaces of the trays of the oval grooves of the cover and bottom, respectively, forming a separate vertically located thermionic transducer connected to the previous and subsequent thermionic transducers throughout housing, forming a thermoelectric section. The initial and last sections of the wire segments of the thermoelectric section are connected to pole collectors, the ends of which are brought out through the ends of the side board and connected to the converter and the battery.

EFFECT: increased efficiency, simplified manufacturing.

1 cl, 7 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано для трансформации тепловой энергии в электрическую при отсутствии источников электроснабжения.The present invention relates to thermal power engineering and can be used to transform thermal energy into electrical energy in the absence of power supply sources.

Известен универсальный термоэлектрический преобразователь, содержащий корпус, выполненный из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, оребренный с противоположных сторон параллельными ребрами, образующими между собой пазы, изнутри армированный контурной арматурой, которая состоит из термоэмиссионных элементов, представляющих собой парные параллельные проволочные отрезки, выполненные из разных металлов М1 и М2, изолированные друг от друга по длине тонким слоем материала-диэлектрика, спаянные на концах между собой, образующие ряды, устроенные таким образом, что части спаянных концов проволочных отрезков располагаются в слоях материала-диэлектрика параллельных ребер, параллельно их боковой поверхности, не касаясь ее, а средние части проволочных отрезков расположены в массиве материала-диэлектрика корпуса, ряды соединены между собой перемычками, крайние проволочные отрезки крайних рядов соединены с однополюсными коллекторами электрических зарядов [Патент РФ №2575769, МПК Н01 L35/02, 2016].A universal thermoelectric converter is known, containing a housing made of a dielectric material with high thermal conductivity, finned on opposite sides with parallel ribs forming grooves between them, reinforced from the inside with contour reinforcement, which consists of thermionic elements, which are paired parallel wire segments made of different metals M1 and M2, isolated from each other along the length by a thin layer of dielectric material, soldered at the ends to each other, forming rows arranged in such a way that parts of the soldered ends of the wire segments are located in the layers of the dielectric material of parallel ribs, parallel to their side surface, without touching it, and the middle parts of the wire segments are located in the array of the dielectric material of the housing, the rows are interconnected by jumpers, the extreme wire segments of the extreme rows are connected to single-pole electric charge collectors [RF Patent No. 2575769, IPC H01 L35/ 02, 2016].

Основными недостатками известного универсального термоэлектрического преобразователя являются высокий расход металлов М1 и М2 для изготовления термоэмиссионных элементов, определяющий значительный вес устройства, сложность их изготовления, обусловленная необходимостью заготовкой проволочных отрезков, сплющиванием и спайкой их концов, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.The main disadvantages of the known universal thermoelectric converter are the high consumption of metals M1 and M2 for the manufacture of thermionic elements, which determines the significant weight of the device, the complexity of their manufacture, due to the need to prepare wire segments, flattening and soldering their ends, which increases the cost and, thus, reduces its efficiency. .

Более близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является ленточный термоэлектрогенератор, содержащий сборный корпус, состоящий из верхней крышки и днища, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами, боковых бортов, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами, расположенными напротив каждого овального паза, торцевых отбортованных крышек, при этом верхняя крышка и днище выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, крышка снабжена на противоположных концах полюсными коллекторами, внутри корпуса в верхние и нижние гнезда боковых бортов через овальные пазы параллельно его торцам горизонтально вставлены шпильки, в зазорах между ними и поверхностью овальных пазов пропущена лента, выполненная из гибкого материала-диэлектрика, обе поверхности которой, за исключением начального и последнего участков ленты, поочередно покрыты равными отрезками полос фольги разных металлов М1 и М2 с напуском друг на друга таким образом, чтобы верхние и нижние концы каждого отрезка фольги были прижаты шпильками (стержнями) к поверхности лотков овальных пазов верхней крышки и днища, соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный преобразователь, соединенный аналогично с предыдущим и последующим термоэмиссионными преобразователями во всем корпусе, образуя термоэлектрическую секцию, начальный и последний участки ленты покрыты равными отрезками полос фольги разных металлов М1 и М2 только с внутренней стороны, их верхние концы плотно соединены с полюсными коллекторами, причем плотный контакт нижних концов полюсных коллекторов с верхними концами крайних отрезков полос фольги термоэлектрической секции, а также верхних и нижних отрезков полос фольги металлов М1 и М2 всех термоэмиссионных преобразователей осуществляется сжатием до упора боковых бортов, а также прижатием к ним торцевых отбортованных крышек [Патент РФ №2676803, МПК Н01 L35/02, 2019].Closer in technical essence to the proposed invention is a tape thermoelectric generator containing a prefabricated housing, consisting of a top cover and a bottom, which are made on the inside with horizontal oval grooves, side boards, equipped with round sockets on the inside, located opposite each oval groove, end flanged covers, while the top cover and the bottom are made of a dielectric material with high thermal conductivity, the side boards are made of a dielectric material with low thermal conductivity, the cover is equipped at opposite ends with pole collectors, inside the case into the upper and lower nests of the side boards through oval grooves in parallel pins are inserted horizontally at its ends, in the gaps between them and the surface of the oval grooves there is a tape made of a flexible dielectric material, both surfaces of which, with the exception of the initial and last sections of the tape, are alternately covered with equal segments of strips foils of different metals M1 and M2 overlapping each other in such a way that the upper and lower ends of each piece of foil are pressed by pins (rods) to the surface of the trays of the oval grooves of the top cover and bottom, respectively, forming a separate, vertically located, thermionic transducer connected similarly with the previous and subsequent thermionic converters in the entire body, forming a thermoelectric section, the initial and last sections of the tape are covered with equal segments of foil strips of different metals M1 and M2 only on the inside, their upper ends are tightly connected to the pole collectors, and the tight contact of the lower ends of the pole collectors with the upper ends of the extreme segments of the foil strips of the thermoelectric section, as well as the upper and lower segments of the metal foil strips M1 and M2 of all thermionic converters, are carried out by compressing the side walls to the stop, as well as pressing the end flanged covers to them [RF Patent No. 2676803, IPC H01 L35/02, 2019].

Основным недостатком известного ленточного термоэлектрогенератора является сложность изготовления фольги из металлов М1, М2 и ленты из гибкого материала-диэлектрика, обусловленная необходимостью специального оборудования для их прокатки, что повышает стоимость и, таким образом, снижает его эффективность.The main disadvantage of the known tape thermoelectric generator is the complexity of manufacturing a foil of M1, M2 metals and a tape of flexible dielectric material, due to the need for special equipment for rolling them, which increases the cost and, thus, reduces its efficiency.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности стержневого термоэлектрогенератора.The technical result of the invention is to increase the efficiency of the rod thermoelectric generator.

Технический результат достигается стержневым термоэлектрогенератором, содержащем сборный корпус, состоящий из верхней крышки и днища, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами, боковых бортов, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами, расположенными напротив каждого овального паза, торцевых отбортованных крышек, при этом крышка и днище выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, внутри корпуса в верхние и нижние гнезда через овальные пазы параллельно его торцам горизонтально вставлены стержни, выполненные из спаянных или сваренных между собой по все своей длине проволочных отрезков из металлов М1 и М2, в зазорах между стержнями и поверхностью овальных пазов пропущен ряд проволочных отрезков, выполненных из гибкого металла с высокой электропроводностью, которые прижаты к стержням поверхностями лотков овальных пазов крышки и днища соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный преобразователь, соединенный аналогично с предыдущим и последующим термоэмиссионным преобразователем во всем корпусе, образуя термоэлектрическую секцию, причем начальный и последний участки проволочных отрезков термоэлектрической секции соединены с полюсными коллекторами, концы которых выведены наружу через торцы бокового борта и соединены с преобразователем и аккумулятором.The technical result is achieved by a rod thermoelectric generator containing a prefabricated housing, consisting of a top cover and a bottom, which are made with horizontal oval grooves on the inside, side boards, equipped with round nests on the inside, located opposite each oval groove, flanged end covers, while the cover and the bottom are made of a dielectric material with high thermal conductivity, the side walls are made of a dielectric material with low thermal conductivity, inside the body, rods made of soldered or welded together along their entire length are inserted horizontally into the upper and lower nests through oval grooves parallel to its ends wire segments made of metals M1 and M2, in the gaps between the rods and the surface of the oval grooves, a number of wire segments are omitted, made of flexible metal with high electrical conductivity, which are pressed to the rods by the surfaces of the trays of the oval grooves of the cover and bottom, respectively, forming i is a separate, vertically located, thermionic converter, connected similarly to the previous and subsequent thermionic converter in the entire body, forming a thermoelectric section, and the initial and last sections of the wire segments of the thermoelectric section are connected to pole collectors, the ends of which are brought out through the ends of the side board and connected to converter and battery.

На фиг. 1-7 представлен предлагаемый стержневой термоэлектрогенератор (СТЭГ): фиг. 1, 2 - общий вид и разрез СТЭГ, фиг. 3-5 - узел и разрезы компоновки термоэмиссионных преобразователей (ТЭП), фиг. 6, 7 - узел стыковки термоэмиссионных преобразователей с коллектором полюсных зарядов.In FIG. 1-7 shows the proposed rod thermoelectric generator (STEG): Fig. 1, 2 - general view and section STEG, Fig. 3-5 - node and sections of the layout of thermionic transducers (TEC), fig. 6, 7 - node for docking thermionic converters with a collector of pole charges.

Предлагаемый СТЭГ содержит сборный корпус 1, состоящий из верхней крышки 2 и днища 3, которые с внутренней стороны выполнены с горизонтальными овальными пазами 4, боковых бортов 5 и 6, снабженных с внутренних сторон круглыми гнездами 7, расположенными напротив каждого овального паза 4, торцевых отбортованных крышек 8 и 9, при этом крышка 2 и днище 3 выполнены из материала-диэлектрика с высокой теплопроводностью, боковые борта 5 и 6 выполнены из материала-диэлектрика с низкой теплопроводностью, внутри корпуса 1 в верхние и нижние гнезда 7 через овальные пазы 4 параллельно его торцам горизонтально вставлены стержни 10, выполненные из спаянных или сваренных между собой по все своей длине проволочных отрезков 11 и 12 из металлов М1 и М2 (например, хромели и копели). В зазорах между стержнями 10 и поверхностью овальных пазов 4 пропущен ряд проволочных отрезков 13, выполненных из гибкого металла с высокой электропроводностью (например, меди или алюминия), которые прижаты к стержням 10 поверхностями лотков овальных пазов 4 крышки 2 и днища 3 соответственно, образуя отдельный, вертикально расположенный, термоэмиссионный преобразователь (ТЭП) 14, соединенный аналогично с предыдущим и последующим ТЭП 14 во всем корпусе 1, образуя термоэлектрическую секцию (ТЭС) 15, причем начальный и последний участки проволочных отрезков 13 ТЭС 15 соединены с полюсными коллекторами 16 и 17, концы которых выведены наружу через торцы бокового борта 5 и соединены с преобразователем и аккумулятором (на фиг. 1-7 не показаны).The proposed STEG contains a prefabricated body 1, consisting of a top cover 2 and a bottom 3, which on the inside are made with horizontal oval grooves 4, side boards 5 and 6, equipped with round nests 7 on the inside, located opposite each oval groove 4, flanged end covers 8 and 9, while the cover 2 and bottom 3 are made of a dielectric material with high thermal conductivity, the side walls 5 and 6 are made of a dielectric material with low thermal conductivity, inside the body 1 into the upper and lower slots 7 through oval grooves 4 parallel to it the ends are horizontally inserted rods 10, made of soldered or welded together along their entire length of wire segments 11 and 12 of metals M1 and M2 (for example, chromel and copel). In the gaps between the rods 10 and the surface of the oval grooves 4, a number of wire segments 13 are passed, made of flexible metal with high electrical conductivity (for example, copper or aluminum), which are pressed against the rods 10 by the surfaces of the trays of the oval grooves 4 of the cover 2 and bottom 3, respectively, forming a separate , vertically located, thermionic transducer (TEC) 14, connected similarly to the previous and subsequent TEC 14 in the entire housing 1, forming a thermoelectric section (TPP) 15, and the initial and last sections of the wire segments 13 of the TPP 15 are connected to the polar collectors 16 and 17, the ends of which are brought out through the ends of the side board 5 and are connected to the converter and the battery (not shown in Fig. 1-7).

В основу работы предлагаемого СТЭГ положено следующее. Так как ТЭС 15 состоят из отдельных термоэмиссионных преобразователей (ТЭП) 14, состоящих из стержней 10, выполненных из разных металлов М1 и М2, соединенных с парой равных проволочных отрезков из металла с высокой электропроводностью, то при нагреве (охлаждении) одних концов ТЭП 14 с одной стороны и охлаждении (нагреве) противоположных им концов, на них устанавливаются разные температуры и в зоне контакта металлов М1, М2 происходит термическая эмиссия электронов, в результате чего в ТЭП 14 и ТЭС 16 появляется термоэлектричество [С.Г. Калашников. Электричество. - М: «Наука», 1970, с. 502-506].The proposed STEG is based on the following. Since TPP 15 consist of separate thermionic transducers (TEC) 14, consisting of rods 10 made of different metals M1 and M2, connected to a pair of equal wire segments of metal with high electrical conductivity, when heating (cooling) one end of TEC 14 with on one side and cooling (heating) of opposite ends, different temperatures are set on them and thermal emission of electrons occurs in the contact zone of metals M1, M2, as a result of which thermoelectricity appears in TEP 14 and TPP 16 [S.G. Kalashnikov. Electricity. - M: "Science", 1970, p. 502-506].

Сборку СТЭГ осуществляют следующим образом. Вначале собирают корпус 1 без верхней крышки 2. После сборки корпуса 1 во все верхние гнезда 7 верхних боковых бортов 5,6 вставляют стержни 10 и пропускают через них установленное количество равных проволочных отрезков 13 из металла с высокой электропроводностью, присоединенных на торцах к полюсным коллекторам 16 и 17, которые фиксируются на торцах борта 5. При этом, проволочные отрезки 13 укладывают таким образом, чтобы они плотно прилегали к верхней образующей верхних стержней 10 и нижней образующей нижних пазов 4, после чего в нижние пазы 4 укладывают нижние стержни 10 и устанавливают верхнюю крышку 2, которая прижимает нижние и верхние стержни к проволочным отрезкам 13. При этом, собранный СТЭГ должен , в первую очередь, обеспечивать плотную и надежную стыковку каждого отрезка проволоки 13 с поверхностью стержней 10 и поверхностью лотков овальных пазов 4 крышки 2 и днища 3, что достигается исполнением всех деталей корпуса 1 с прецезионной точностью.Assembly STEG carried out as follows. First, the body 1 is assembled without the top cover 2. After assembling the body 1, rods 10 are inserted into all the upper slots 7 of the upper side boards 5.6 and a set number of equal wire segments 13 made of metal with high electrical conductivity are passed through them, attached at the ends to the pole collectors 16 and 17, which are fixed at the ends of the bead 5. At the same time, the wire segments 13 are laid in such a way that they fit snugly against the upper generatrix of the upper rods 10 and the lower generatrix of the lower grooves 4, after which the lower rods 10 are placed in the lower grooves 4 and the upper cover 2, which presses the lower and upper rods to the wire segments 13. At the same time, the assembled STEG must, first of all, ensure a tight and reliable connection of each wire segment 13 with the surface of the rods 10 and the surface of the trays of the oval grooves 4 of the cover 2 and bottom 3, which is achieved by the execution of all parts of the body 1 with precision accuracy.

СТЭГ работает следующим образом. При соприкосновении днища 3 корпуса 1 с горячей средой, а верхней крышки 2 противоположной стороны с холодной средой торцы, ТЭП 14 с одной стороны охлаждаются, а с противоположной стороны нагреваются, на них устанавливаются разные температуры, происходит процесс передачи тепла от горячей среды к нижним стержням 10, в результате чего в них происходит эмиссия электронов от металлов М1 к М2 и передача их по проволочным отрезкам 13, выполненным из металла с высокой электропроводностью, к стержням 10, расположенным у холодной стенки крышки 2. Одновременно с процессом теплопередачи в результате разности температур охлажденных и нагретых торцов ТЭП 14 в ряду ТЭС 15 появляется термоэлектричество, которое через однополюсные коллекторы электрических зарядов 10 и 11, поступает в преобразователь и аккумулятор (на фиг. 1-7 не показаны) и откуда подается потребителю.STEG works as follows. When the bottom 3 of the body 1 comes into contact with the hot medium, and the upper cover 2 of the opposite side with the cold medium, the ends, TEC 14 on one side are cooled, and on the opposite side they are heated, different temperatures are set on them, the process of heat transfer from the hot medium to the lower rods takes place 10, as a result of which they emit electrons from metals M1 to M2 and transfer them along wire segments 13 made of metal with high electrical conductivity to rods 10 located at the cold wall of the cover 2. Simultaneously with the heat transfer process, as a result of the temperature difference between the cooled and heated ends of TEC 14 in a row of TPP 15, thermoelectricity appears, which, through single-pole collectors of electric charges 10 and 11, enters the converter and battery (not shown in Fig. 1-7) and from where it is supplied to the consumer.

При этом, компоновка стержней 10, состоящих из значительной массы спаев металлов 11 М1 и 12 М2, высокая электропроводность отрезков проволоки 13 и небольшой воздушный зазор между ветвями ТЭП 14 обеспечивают создание значительного количества термоэлектричества, передачу большей части тепла по отрезкам 13 и позволяют разместить большее количество ТЭП 14 по длине корпуса 1, что повышает выработку термоэлектричества каждым ТЭП 14 и, в целом, ТЭС 15. Кроме того, вертикальное сжатие торцевых концов проволочных отрезков 13 к стержням 10, выполненным из спаев металлов М1 и М2 создает более плотный контакт между ними, что также повышает выработку термоэлектричества каждым ТЭП 14 и, соответственно, всей СТЭГ.At the same time, the layout of the rods 10, consisting of a significant mass of junctions of metals 11 M1 and 12 M2, the high electrical conductivity of the wire segments 13 and the small air gap between the branches of the TEC 14 ensure the creation of a significant amount of thermoelectricity, the transfer of most of the heat along the segments 13 and allow you to place more TEC 14 along the length of the body 1, which increases the production of thermoelectricity by each TEC 14 and, in general, TPP 15. In addition, the vertical compression of the end ends of the wire segments 13 to the rods 10, made of junctions of metals M1 and M2, creates a tighter contact between them, which also increases the production of thermoelectricity by each TEP 14 and, accordingly, the entire STEG.

Величина разности электрического потенциала на коллекторах 10, 11 и сила электрического тока зависит от характеристик пар металлов М1 и М2, из которых изготовлены стержни 10, их массы, числа ТЭП 14 в ряду ТЭС 15 и их числа в СТЭГ, разности температур на противоположных концах ТЭП 14. Полученный электрический ток из одиночного СТЭГ, можно использовать для подзарядки гаджетов-мобильных телефонов, айфонов, плэйеров и тому подобных устройств в условиях отсутствия электроснабжения (например, при кипячении воды на костре, поместив его на дно емкости с подогреваемой водой или положив его на освещаемый солнцем участок льда или снега). При компоновке множества СТЭГ, полученный электрический ток можно использовать для самых различных целей (освещения зданий, горячего водоснабжения, зарядки автомобильных аккумуляторов, электроснабжения космических и подводных аппаратов и пр.), при условии наличия сред или поверхностей с различными температурами.The magnitude of the difference in electric potential on the collectors 10, 11 and the strength of the electric current depends on the characteristics of the pairs of metals M1 and M2, from which the rods 10 are made, their masses, the number of TECs 14 in a row of TES 15 and their number in STEG, the temperature difference at opposite ends of the TEC 14. The resulting electric current from a single STEG can be used to recharge gadgets - mobile phones, iPhones, players and similar devices in the absence of power supply (for example, when boiling water on a fire, placing it on the bottom of a container with heated water or putting it on sunlit area of ice or snow). When assembling a set of STEGs, the resulting electric current can be used for a variety of purposes (building lighting, hot water supply, car battery charging, power supply to space and underwater vehicles, etc.), subject to the presence of media or surfaces with different temperatures.

Таким образом, предлагаемое изобретение, в результате использования термоэмиссионных преобразователей 14, изготовленных из стержней 10, выполненных из спаянных металлов М1 и М2, соединенных между собой, соединенных между собой проволочными отрезками из металла с высокой электропроводностью, обеспечивает значительное, снижение стоимости и упрощение конструкции устройства, увеличение выработки термоэлектричества, что увеличивает эффективность стержневого термоэлектрогенератора.Thus, the proposed invention, as a result of the use of thermionic transducers 14, made of rods 10, made of brazed metals M1 and M2, connected to each other, interconnected by wire segments of metal with high electrical conductivity, provides a significant reduction in cost and simplification of the design of the device , increasing the generation of thermoelectricity, which increases the efficiency of the rod thermoelectric generator.

Claims

Rod thermoelectric generator, containing a prefabricated body, consisting of a top cover and a bottom, which are made with horizontal oval grooves on the inside, side boards, equipped with round nests on the inside, located opposite each oval groove, end flanged covers, while the cover and bottom are made from a dielectric material with high thermal conductivity, the side walls are made of a dielectric material with low thermal conductivity, inside the housing, rods are horizontally inserted through oval grooves through oval grooves parallel to its ends, forming thermionic converters and a thermoelectric section with pole collectors connected to the converter and battery, characterized in that the rods are made of wire segments of M1 and M2 metals soldered or welded together along their entire length, in the gaps between the rods and the surface of the oval grooves a number of wire segments made of flexible metal with high electrical conductivity, which are pressed to the rods by the surfaces of the trays of the oval grooves of the cover and the bottom, respectively, forming a separate vertically located thermionic transducer connected to the previous and subsequent thermionic transducers, forming a thermoelectric section in the entire body, and the initial and last sections of the wire segments of the thermoelectric section are connected with polar collectors, the ends of which are brought out through the ends of the side board.