RU2778010C1 - Method for manufacturing a thermoelectric generator based on composite materials - Google Patents

Method for manufacturing a thermoelectric generator based on composite materials Download PDF

Info

Publication number
RU2778010C1
RU2778010C1 RU2021117693A RU2021117693A RU2778010C1 RU 2778010 C1 RU2778010 C1 RU 2778010C1 RU 2021117693 A RU2021117693 A RU 2021117693A RU 2021117693 A RU2021117693 A RU 2021117693A RU 2778010 C1 RU2778010 C1 RU 2778010C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
thermoelectric
leaflet
conductive component
conductive
composite
Prior art date
Application number
RU2021117693A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Розалия Альбертовна Габдуллина
Original Assignee
Розалия Альбертовна Габдуллина
Filing date
Publication date
Application filed by Розалия Альбертовна Габдуллина filed Critical Розалия Альбертовна Габдуллина
Application granted granted Critical
Publication of RU2778010C1 publication Critical patent/RU2778010C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: energy conversion.
SUBSTANCE: invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, in particular to a method for manufacturing thermoelectric generators used either for installation on the engine body of an aircraft, or for manufacturing the engine body of an aircraft itself with obtaining additional electrical power. Essence: a flexible substrate is taken, which is a tape made of composite materials of the class of carbon fibers. Two different types of conductive components are alternately applied to a flexible substrate, which are either a metal wire or a thread made of a number of semiconductor materials. Each conductive component is applied in such a way that it is the side of an isosceles triangle, the angle between these sides lies in the range from 10 to 170°. Each subsequent conductive component is applied inseparably from the previous one to form a contact of the components at the vertex of the angle of the isosceles triangle and at the vertices of the corners of the base of this triangle. In this case, each type of conductive component is applied parallel to the side of the previous triangle from the same conductive component. Further, welding of these conductive components is provided at the points of their contact, thus forming a set of electrical junctions. The resulting composite substrate with a thermoelectric structure is laid in a leaflet format so that the bend location corresponds to each junction of conductive components. The resulting leaflet is placed either in a flat shape or the desired radius of curvature and geometric shape are provided. Then the leaflet is stitched through with a composite carbon fiber thread in places where the junction does not pass. Further, the upper and lower sides of the leaflet are glued with a composite material from the class of carbon fibers in one or more layers, depending on the required geometric parameters of the thermoelectric generator.
EFFECT: expansion of the range of solutions to manufacture thermoelectric generators.
1 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности - к способу изготовления термоэлектрических генераторов, применяемых, например, для изготовления корпуса двигателя летательного аппарата с получением при этом дополнительной электрической мощности.The invention relates to the field of direct conversion of thermal energy into electrical energy, in particular to a method for manufacturing thermoelectric generators used, for example, for manufacturing an aircraft engine housing with additional electrical power.

В мире существует проблема недостаточной мощности механического электрогенератора летательных аппаратов (далее - ЛА), поскольку более мощные генераторы имеют большие массогабаритные характеристики, что ведет к утяжелению самого летательного аппарата. При этом известно, что корпусный элемент двигателя ЛА должен обладать стойкостью к высокотемпературным нагрузкам и достаточной прочностью при наличии радиуса кривизны.In the world, there is a problem of insufficient power of the mechanical electric generator of aircraft (hereinafter - LA), since more powerful generators have large weight and size characteristics, which leads to the weight of the aircraft itself. At the same time, it is known that the body element of the aircraft engine must be resistant to high-temperature loads and have sufficient strength in the presence of a radius of curvature.

Одним из путей решения указанных проблем является выработка дополнительной электроэнергии путем внедрения в конструкцию корпуса двигателя ЛА термоэлектрических генераторов (далее - ТЭГ). При этом ТЭГи могут быть установлены как на корпус двигателя, так и использованы в качестве самого корпусного элемента двигателя частично или полностью. Использование ТЭГ позволяет частично отказаться от механического электрогенератора, снизить массогабаритные характеристики летательного аппарата и получить дополнительную электрическую мощность. При этом ТЭГ должен отвечать свойствам корпусного элемента двигателя, а именно - стойкостью к высокотемпературным нагрузкам и достаточной прочностью при наличии радиуса кривизны.One of the ways to solve these problems is to generate additional electricity by introducing thermoelectric generators (hereinafter - TEG) into the structure of the aircraft engine. At the same time, TEGs can be installed both on the engine housing and used as the engine housing element itself, partially or completely. The use of TEG makes it possible to partially abandon the mechanical power generator, reduce the weight and size characteristics of the aircraft and obtain additional electrical power. In this case, the TEG must meet the properties of the engine casing element, namely, resistance to high-temperature loads and sufficient strength in the presence of a curvature radius.

Из исследованного уровня техники заявителем выявлены способы получения ТЭГов с различными техническими характеристиками.From the studied prior art, the applicant has identified methods for producing TEGs with different technical characteristics.

Известно изобретение по патенту № WO2017059392 «Гибкий термоэлектрический генератор», сущностью является термоэлектрический генератор, содержащий: множество изолирующих гирлянд; множество термоэлектрических струн, сплетенных в виде изогнутых линий через изолирующие струны, изолирующие струны служат в качестве линий утка, термоэлектрические струны содержат чередующиеся сегменты первого полупроводникового материала и второго полупроводникового материала, причем первый полупроводниковый материал и второй полупроводниковый материал имеют разные электрохимические потенциалы, первый и второй сегменты полупроводникового материала, соединенные проводящим контактом; подложку с холодной стороны, соединенную с первым множеством проводящих контактов; и подложку с горячей стороны, соединенную со вторым множеством проводящих контактов.Known invention according to patent No. WO2017059392 "Flexible thermoelectric generator", the essence is a thermoelectric generator containing: a lot of insulating garlands; a plurality of thermoelectric strings woven in the form of curved lines through the insulating strings, the insulating strings serve as weft lines, the thermoelectric strings contain alternating segments of the first semiconductor material and the second semiconductor material, and the first semiconductor material and the second semiconductor material have different electrochemical potentials, the first and second segments of a semiconductor material connected by a conductive contact; a cold side substrate connected to the first plurality of conductive contacts; and a hot side substrate connected to the second plurality of conductive contacts.

Недостатками известного технического решения является то, что предложенный ТЭГ изготавливают в виде тонкой пленки и используют только для источников с низким тепловым потоком, то есть данное устройство не предназначено для применения в высокотемпературных режимах работы.The disadvantages of the known technical solution is that the proposed TEG is made in the form of a thin film and is used only for sources with low heat flux, that is, this device is not intended for use in high temperature operating modes.

Так, известно изобретение по патенту № RU2154325 «Способ изготовления термоэлектрического модуля», сущностью является способ изготовления термоэлектрического модуля, при котором названный модуль изготовляют из множества термоэлектрических кристаллов, образующих матрицу между первой и второй подложками, выполненными из диэлектрика, отличающийся тем, что матрицу включают последовательно в электрическую цепь таким образом, чтобы нагревать поверхность первой подложки и охлаждать поверхность второй подложки в результате действия электротермического эффекта Пельтье, возникающего в термоэлектрических кристаллах, при этом в названном способе применяют множество продолговатых термоэлектрических брусков р-типа и n-типа, которые разделяют на названные термоэлектрические кристаллы, и первую токопроводящую подложку со множеством первых контактов, образующих матрицу, при этом соседние первые контакты, образующие ряд матрицы, взаимосвязаны соответственно горизонтальными перемычками, в то время как в направлении расположения колонки эти названные первые контакты разделены между собой; при этом названный способ включает следующие этапы: соединяют названную первую токопроводящую плату с названной первой подложкой для фиксации первой проводящей платы с помощью названной первой подложки; размещают множество названных продолговатых термоэлектрических брусков р-типа и n-типа на названных первых контактах по названным рядам таким образом, чтобы по направлению расположения колонки матрицы бруски р-типа чередовались с брусками n-типа с интервалом между ними; соединяют одну грань каждого термоэлектрического бруска с названными первыми контактами, образующими ряд; режут каждый продолговатый термоэлектрический брусок на названные термоэлектрические кристаллы, а также одновременно режут названные горизонтальные перемычки, чтобы распределить получаемые термоэлектрические кристаллы по индивидуальным первым контактам; размещают множество вторых контактов на названных кристаллах напротив первых контактов для получения последовательно включенного электрического контура, состоящего из названных кристаллов в сочетании с названными первыми контактами, и соединяют вторые подложки, в которых установлены названные вторые контакты, с названной первой подложкой для образования между ними соединения.Thus, the invention is known according to patent No. RU2154325 "Method of manufacturing a thermoelectric module", the essence is a method for manufacturing a thermoelectric module, in which the named module is made from a plurality of thermoelectric crystals forming a matrix between the first and second substrates made of a dielectric, characterized in that the matrix includes sequentially into an electrical circuit in such a way as to heat the surface of the first substrate and cool the surface of the second substrate as a result of the electrothermal Peltier effect that occurs in thermoelectric crystals, while in this method a plurality of oblong p-type and n-type thermoelectric bars are used, which are said thermoelectric crystals, and a first conductive substrate with a plurality of first contacts forming a matrix, wherein adjacent first contacts forming a matrix row are interconnected respectively by horizontal bridges, while in in the direction of the column, these named first contacts are separated from each other; wherein said method includes the following steps: connecting said first conductive board with said first substrate to fix the first conductive board with said first substrate; placing a plurality of said p-type and n-type elongated thermoelectric bars on said first contacts in said rows so that, in the direction of the matrix column, the p-type bars alternate with the n-type bars with an interval between them; connecting one face of each thermoelectric bar with said first contacts forming a row; cutting each elongated thermoelectric bar into said thermoelectric crystals, and simultaneously cutting said horizontal jumpers to distribute the resulting thermoelectric crystals among individual first contacts; a plurality of second contacts are placed on said crystals opposite the first contacts to obtain a series-connected electrical circuit consisting of said crystals in combination with said first contacts, and the second substrates, in which said second contacts are installed, are connected with the named first substrate to form a connection between them.

Недостатками известного технического решения является то, что известным способом получают ТЭГ, имеющий хрупкую диэлектрическую подложку, которую изготавливают либо из керамического, либо из пластикового материала, при этом невозможно задать требуемый радиус кривизны.The disadvantages of the known technical solution is that a TEG is obtained in a known way, having a fragile dielectric substrate, which is made of either ceramic or plastic material, while it is impossible to set the required radius of curvature.

Известно изобретение по патенту № US2012266930 «Модуль термоэлектрического преобразования и способ изготовления», сущностью является способ изготовления модуля термоэлектрического преобразования, включающий: первый этап изготовления плетеной проволоки А, построенной путем плетения проводящей проволоки, и плетеной проволоки В, построенной путем плетения проводящей проволоки, причем плетеная проволока В короче, чем плетеная проволока А; а также второй этап поочередного соединения каждого из множества элементов термоэлектрического преобразования P-типа и каждого из множества элементов термоэлектрического преобразования N-типа посредством плетеного провода A и плетеного провода B для получения модуля, в котором каждый из P элементов термоэлектрического преобразования типа N и каждый из элементов термоэлектрического преобразования типа N электрически соединены последовательно, при этом на втором этапе одна торцевая поверхность одного из элементов термоэлектрического преобразования P-типа и одна торцевая поверхность одного из элементов термоэлектрического преобразования N-типа соединяются плетеным проводом A, в то время как другая торцевая поверхность одного из элементов термоэлектрического преобразования Элементы термоэлектрического преобразования P-типа и другая торцевая поверхность одного из элементов термоэлектрического преобразования N-типа соединены плетеной проволокой B. Способ изготовления модуля термоэлектрического преобразования по п.8, дополнительно содержащий: этап подготовки двух или более модулей модуля, включая модуль, этап включает в себя первый этап и второй этап; а также этап электрического соединения множества модулей друг с другом параллельно.An invention is known according to patent No. US2012266930 "Thermoelectric conversion module and manufacturing method", the essence is a method for manufacturing a thermoelectric conversion module, including: the first stage of manufacturing a braided wire A, built by weaving a conductive wire, and a braided wire B, built by weaving a conductive wire, moreover braided wire B is shorter than braided wire A; and a second step of sequentially connecting each of the plurality of P-type thermoelectric conversion elements and each of the plurality of N-type thermoelectric conversion elements by braided wire A and braided wire B to obtain a module in which each of the P N-type thermoelectric conversion elements and each of N-type thermoelectric conversion elements are electrically connected in series, wherein in the second step, one end surface of one of the P-type thermoelectric conversion elements and one end surface of one of the N-type thermoelectric conversion elements are connected by a braided wire A, while the other end surface of one of thermoelectric conversion elements The P-type thermoelectric conversion elements and the other end surface of one of the N-type thermoelectric conversion elements are connected by braided wire B. th transformation according to claim 8, further comprising: the step of preparing two or more modules of the module, including the module, the step includes the first step and the second step; and a step of electrically connecting the plurality of modules to each other in parallel.

Недостатками известного технического решения является то, что данное устройство представляет собой плетеный термоэлектрический провод, который спирально наматывают вокруг трубки (источника тепла). Данный термоэлектрический провод не может обладать достаточными прочностными характеристиками (более 1000 МПа) для того, чтобы представлять собой корпусной элемент, который частично или полностью интегрируют в конструкцию.The disadvantages of the known technical solution is that this device is a braided thermoelectric wire, which is spirally wound around a tube (heat source). This thermoelectric wire cannot have sufficient strength characteristics (more than 1000 MPa) in order to be a housing element that is partially or completely integrated into the structure.

Также известно изобретение по патенту № WO2018047882 «Функциональный элемент с последовательной структурой ячейки термоэлектрических преобразователей π-типа и способ его изготовления»,сущностью является способ изготовления функционального элемента по пп.1-13. Одна из пряжи n-типа и пряжи p-типа является первой пряжей, другая - второй пряжей, одна из передней и задней поверхностей изолирующей подложки является первой поверхностью, а другая - вторая поверхность. В состоянии, когда первая пряжа прошита волнообразной строчкой на изолирующем основном материале, когда вторая крученая пряжа сшивается волнообразно рядом параллельно с первой крученой пряжей, которая была сшита волнообразной строчкой, часть, открытая на первой поверхности первой крученой пряжи, которая была сшита за шаг до этого на первой поверхности пересечение и шитье после скручивания хотя бы один раз. Затем, когда первая скрученная пряжа сшивается волнообразно рядом параллельно со второй крученой пряжей, которая была прошита волнистой строчкой, вторая поверхность открывается для второй поверхности второй крученой пряжи, которая была сшита за один шаг до этого. Пересекая пересеченные части и перекручивая хотя бы один раз. При повторении вышеуказанных шагов путь тока формируется в направлении, ортогональном направлению волнового сшивания, и вдоль пути тока формируется последовательное соединение структуры π-типа.Also known is the invention according to patent No. WO2018047882 "A functional element with a serial cell structure of π-type thermoelectric converters and a method for its manufacture", the essence is a method for manufacturing a functional element according to claims 1-13. One of the n-type yarn and the p-type yarn is the first yarn, the other is the second yarn, one of the front and back surfaces of the insulating substrate is the first surface, and the other is the second surface. In the state where the first yarn is wavy-stitched on the insulating base material, when the second twisted yarn is wavy-sewn side by side in parallel with the first twisted yarn that was wavy-stitched, the part exposed on the first surface of the first twisted yarn that was sewn a step before on the first surface, crossing and sewing after twisting at least once. Then, when the first twisted yarn is wavy sewn side by side in parallel with the second twisted yarn that has been wavy stitched, the second surface is opened to the second surface of the second twisted yarn that has been sewn one step before. Crossing the crossed parts and twisting at least once. By repeating the above steps, a current path is formed in a direction orthogonal to the wave crosslinking direction, and a series connection of a π-type structure is formed along the current path.

Недостатками являются:The disadvantages are:

- известное изобретение представляет собой нить, изготовленную из термоэлектрического и композиционного материала (углеродные нанотрубки), однако изолирующий основной материал представляет собой ткань или бумагу, или материал, выбранный из вспененных полимеров, эластомеров, хлопчатобумажных заполнителей и гелеобразных заполнителей, обработанных в форме пластины или листа, что ограничивает возможность эксплуатации данного устройства при высоких тепловых нагрузках (более 300°С), а также делает невозможным его применение в качестве корпусного элемента;- a well-known invention is a thread made from thermoelectric and composite material (carbon nanotubes), however, the insulating base material is a fabric or paper, or a material selected from foamed polymers, elastomers, cotton fillers and gel-like fillers processed in the form of a plate or sheet , which limits the possibility of operating this device at high thermal loads (more than 300 ° C), and also makes it impossible to use it as a housing element;

- изготовление известного ТЭГ не предусматривает наличие радиуса кривизны.- the manufacture of known TEG does not provide for the presence of a radius of curvature.

Наиболее близким по совокупности признаков, выбранным заявителем в качестве прототипа, является изобретение по патенту №US2015311421 «Гибкие термоэлектрические устройства, способы их приготовления и способы утилизации отходов с помощью тепла», сущностью является способ формирования термоэлектрического устройства, включающий осаждение первого проводящего компонента и второго, отличающегося проводящим компонентом, на гибкой подложке, чтобы сформировать множество электрических переходов. Способ по п.14, в котором гибкая подложка определяет первую поверхность, отстоящую от второй поверхности, и в котором первый и второй проводящие компоненты осаждаются так, что множество электрических переходов расположены на соответствующих поверхностях чередующимся образом. Способ по п.14, включающий одно или оба из формования и складывания гибкой подложки одной или обеих из них до и после нанесения первого и второго проводящих компонентов. Способ по п.14, в котором нанесение одного или обоих из первого и второго проводящих компонентов включает пришивание проводящей нити или пряжи к гибкой подложке. Способ по п.14, в котором нанесение одного или обоих из первого и второго проводящих компонентов включает нанесение проводящих чернил на гибкую подложку.The closest set of features, chosen by the applicant as a prototype, is the invention according to patent No. US2015311421 "Flexible thermoelectric devices, methods for their preparation and methods for waste disposal using heat", the essence is a method for forming a thermoelectric device, including deposition of the first conductive component and the second, characterized by a conductive component, on a flexible substrate to form a plurality of electrical junctions. The method of claim 14, wherein the flexible substrate defines a first surface spaced from the second surface, and wherein the first and second conductive components are deposited such that a plurality of electrical junctions are arranged on respective surfaces in an alternating manner. The method of claim 14, comprising one or both of forming and folding the flexible substrate of one or both of them before and after deposition of the first and second conductive components. The method of claim 14, wherein applying one or both of the first and second conductive components comprises sewing the conductive thread or yarn to the flexible substrate. The method of claim 14 wherein applying one or both of the first and second conductive components comprises applying conductive ink to the flexible substrate.

Недостатками прототипа являются:The disadvantages of the prototype are:

- термоэлектрическое устройство не может быть интегрировано в конструкцию в качестве корпусного элемента, так как при задании требуемого радиуса кривизны или формы данное термоэлектрическое устройство не способно сохранять форму при воздействии высокотемпературных нагрузок (более 350°С) вследствие того, что гибкую подложку формируют из волокнистого материала, которая включает материал, выбранный из группы, состоящей из полиэфиров, хлопка, полиамидов, поли-N-винилкарбазола, целлюлозных материалов, поливинилового спирта, полипропилена, полиэтилентерефталата, стекловолокна и их комбинации; указанные материалы не могут быть использованы при высоких температурах и прочностных нагрузках.- a thermoelectric device cannot be integrated into the structure as a body element, since when the required radius of curvature or shape is specified, this thermoelectric device is not able to retain its shape when exposed to high-temperature loads (more than 350 ° C) due to the fact that the flexible substrate is formed from a fibrous material which includes a material selected from the group consisting of polyesters, cotton, polyamides, poly-N-vinylcarbazole, cellulosic materials, polyvinyl alcohol, polypropylene, polyethylene terephthalate, fiberglass, and combinations thereof; these materials cannot be used at high temperatures and strength loads.

- увеличение массогабаритных параметров конструкции, в которой применяют данное изобретение, вследствие того, что термоэлектрическое устройство изготавливают в виде гибкой пленки различной толщины, затем его либо наматывают на трубку (источник тепла), либо им обертывают поверхность (источник тепла), данная концепция отвода тепла и выработки дополнительной электрической энергии приводит к однозначному увеличению массогабаритных параметров конструкции, поэтому его эксплуатация применима лишь в наземных промышленных установках, так как в ракетно-авиационной промышленности важную роль играет оптимизация массогабаритных характеристик.- an increase in the weight and size parameters of the design in which this invention is applied, due to the fact that the thermoelectric device is made in the form of a flexible film of various thicknesses, then it is either wound on a tube (heat source) or wrapped around the surface (heat source), this concept of heat removal and the generation of additional electrical energy leads to a clear increase in the weight and size parameters of the structure, so its operation is applicable only in ground-based industrial installations, since optimization of weight and size characteristics plays an important role in the rocket and aviation industry.

Таким образом, известными способами, в том числе прототипом, получают устройства, которые имеют следующие основные недостатки:Thus, by known methods, including the prototype, devices are obtained that have the following main disadvantages:

1) либо имеют хрупкую диэлектрическую подложку, что ограничивает наличие радиуса кривизны, и не может использоваться в качестве корпусного элемента;1) either have a fragile dielectric substrate, which limits the presence of a radius of curvature, and cannot be used as a body element;

2) либо имеют гибкую подложку недостаточной толщины, что не обеспечивает возможность использования термоэлектрического генератора в качестве корпусного элемента;2) either have a flexible substrate of insufficient thickness, which does not provide the possibility of using a thermoelectric generator as a body element;

3) либо имеют ограниченный диапазон рабочих температур, что не дает возможность использования термоэлектрического генератора при высоких тепловых нагрузках.3) either have a limited range of operating temperatures, which makes it impossible to use a thermoelectric generator at high thermal loads.

4) либо имеют недостаточные прочностные характеристики, что не позволяет использовать в качестве корпусных элементов.4) or have insufficient strength characteristics, which does not allow using them as body elements.

Указанные проблемы возможно разрешить, используя в качестве подложки композиционные материалы.These problems can be solved by using composite materials as a substrate.

Композиционный материал - это многокомпонентный материал, изготовленный из двух или более компонентов с существенно различными физическими и/или химическими свойствами, которые, в сочетании, приводят к появлению нового материала с характеристиками, отличными от характеристик отдельных компонентов и не являющимися простой их суперпозицией. При этом отдельные компоненты остаются таковыми в структуре композитов, отличая их от смесей и твердых растворов[https://ru.wikipedia.org/wiki/Композиционный материал].A composite material is a multi-component material made from two or more components with substantially different physical and/or chemical properties, which, when combined, result in a new material with characteristics that are different from those of the individual components and are not a simple superposition of them. At the same time, individual components remain the same in the structure of composites, distinguishing them from mixtures and solid solutions [https://ru.wikipedia.org/wiki/Composite material].

Карбоволокниты [https://e-plastic.ru/specialistam/composite/kompozicionnye-materialy/]Carbon fibers [https://e-plastic.ru/specialistam/composite/kompozicionnye-materialy/]

(углепласты) представляют собой композиционный материал, состоящий из полимерного связующего (матрицы) и упрочнителя в виде углеродных волокон (карбоволокон).(carbon plastics) are a composite material consisting of a polymer binder (matrix) and a hardener in the form of carbon fibers (carbon fibers).

Высокая энергия связи С-С углеродных волокон позволяет им сохранить прочность при очень высоких температурах (в нейтральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна предохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются связующим(низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6-2,5 раза. Применяется вискеризация нитевидных кристаллов TiO[pic], AlN и Si[pic]N[pic], что дает увеличениемежслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.The high C-C bond energy of carbon fibers allows them to maintain strength at very high temperatures (in neutral and reducing media up to 2200°C), as well as at low temperatures. The fibers are protected from oxidation by protective coatings (pyrolytic). Unlike glass fibers, carbon fibers are poorly wetted by a binder (low surface energy), so they are etched. This increases the degree of activation of carbon fibers by the content of the carboxyl group on their surface. The interlaminar shear strength of carbon fiber increases by 1.6-2.5 times. Whiskerization of TiO[pic], AlN and Si[pic]N[pic] whisker crystals is used, which gives an increase in interlayer rigidity by 2 times and strength by 2.8 times. Spatially reinforced structures are used.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиролизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).The binders are synthetic polymers (polymeric carbon fibers); synthetic polymers subjected to pyrolysis (coked carbon fibers); pyrolytic carbon (pyrocarbon carbon fibers).

Карбоволокниты с углеродной матрицей.Carbon fiber with carbon matrix.

Коксованные материалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, подвергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800-1500°С образуются карбонизированные, при 2500-3000°С графитированные карбоволокниты. Для получения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан разлагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.Coking materials are obtained from conventional polymeric carbon fibers subjected to pyrolysis in an inert or reducing atmosphere. At a temperature of 800-1500°C, carbonized carbonized ones are formed, at 2500-3000°C, graphitized carbon fibers are formed. To obtain pyrocarbon materials, the hardener is laid out according to the shape of the product and placed in an oven into which a gaseous hydrocarbon (methane) is passed. Under a certain regime (temperature 1100°C and residual pressure 2660 Pa), methane decomposes and the resulting pyrolytic carbon is deposited on the fibers of the hardener, binding them.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по значениям прочности и ударной вязкости в 5-10 раз превосходит специальные графиты;при нагреве в инертной атмосфере и вакууме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35-0,45), а износ мал (0,7-1 мкм на торможение).Carbofiber with a carbon matrix of the KUP-VM type in terms of strength and impact strength is 5-10 times superior to special graphites; when heated in an inert atmosphere and vacuum, it retains strength up to 2200°C, oxidizes in air at 450°C and requires a protective coating. The coefficient of friction of one carbon fiber with a carbon matrix on the other is high (0.35-0.45), and the wear is low (0.7-1 microns for braking).

Карбоволокниты (углепластики) имеют значения плотности меньше алюминиевых и титановых сплавов, при более высоких или сопоставимых значениях прочности и модуля упругости, что играет важную роль при использовании их в ракетно-авиационной промышленности, так как приводит к снижению массогабаритных характеристик ЛА [https://moluch.ru/archive/27/2963/]:Carbon fibers (carbon plastics) have density values less than aluminum and titanium alloys, with higher or comparable values of strength and modulus of elasticity, which plays an important role when used in the rocket and aviation industry, as it leads to a decrease in the weight and size characteristics of the aircraft [https:// moluch.ru/archive/27/2963/]:

МатериалMaterial Плотность,
ρ, кг/м3
Density,
ρ, kg / m 3
Прочность,
Ϭ, МПа
Strength,
Ϭ, MPa
УглепластикCFRP 15001500 12001200 БоропластикBoroplast 20002000 12001200 Стеклопластикfiberglass 20002000 20002000 Алюминиевые сплавыAluminum alloys 27002700 600600 Титановые сплавыtitanium alloys 45004500 11001100

Задачей и техническим результатом заявленного технического решения является расширение арсенала способов изготовления термоэлектрических генераторов с возможностью их применения для изготовления корпуса двигателя летательного аппарата, при этом достигается:The task and technical result of the claimed technical solution is expansion of the arsenal of methods for manufacturing thermoelectric generators with the possibility of their use for the manufacture of an aircraft engine housing, while achieving:

- получение требуемого радиуса кривизны или формы за счет использования гибкой подложки из композиционных материалов класса карбоволокниты (углепласты), вследствие чего термоэлектрический генератор может быть интегрирован в конструкцию ЛА в качестве корпусного элемента двигателя, так как способен сохранять заданную форму при воздействии высокотемпературных нагрузок (более 350°С) и высоких прочностных нагрузок (более 1300 МПа).- obtaining the required radius of curvature or shape due to the use of a flexible substrate made of composite materials of the carbon fiber class (carbon fiber), as a result of which the thermoelectric generator can be integrated into the aircraft structure as an engine body element, since it is able to maintain a given shape when exposed to high-temperature loads (more than 350 °C) and high strength loads (more than 1300 MPa).

- увеличение выработки дополнительной электрической энергии (с одновременным отводом тепла) при одновременном снижении массогабаритных параметров конструкции устройства, в котором будет использоваться ТЭГ, например, в качестве корпусного элемента двигателя ЛА, что играет важную роль в ракетно-авиационной промышленности.- increase in the generation of additional electrical energy (with simultaneous heat removal) while reducing the weight and size parameters of the design of the device in which the TEG will be used, for example, as a body element of an aircraft engine, which plays an important role in the rocket and aviation industry.

Сущностью заявленного технического решения является способ изготовления термоэлектрического генератора на основе композиционных материалов, заключающийся в том, что берут гибкую подложку, которая представляет собой ленту из композиционных материалов класса карбоволокнитов, на гибкую подложку поочередно наносят два различных вида токопроводящего компонента, которые представляют собой либо металлическую проволоку, либо металлическую нить из ряда полупроводниковых материалов, каждый токопроводящий компонент наносят таким образом, чтобы он являлся боковой стороной равнобедренного треугольника, угол между этими сторонами лежит в диапазоне от 10 до 170°, при этом каждый последующий токопроводящий компонент наносят неразрывно от предыдущего, при этом образовывают контакт компонентов в вершине угла равнобедренного треугольника и в вершинах углов основания данного треугольника, при этом каждый вид токопроводящего компонента наносят параллельно стороне предыдущего треугольника из того же самого токопроводящего компонента, далее обеспечивают сварку указанных токопроводящих компонентов в местах их контакта, таким образом формируют множество электрических спаев и обеспечивают электрический p- и n- переходы, при этом количество спаев между двумя разнородными токопроводящими компонентами равно m, где m>1 (m - натуральный ряд чисел), при этом горячие спаи находятся со стороны теплого источника, холодные - со стороны охлаждающего источника; полученную композиционную подложку с термоэлектрической структурой укладывают в формате лифлета таким образом, чтобы место сгиба соответствовало каждому спаю токопроводящих компонентов, таким образом формируют горячие и холодные стороны термоэлектрического генератора; полученный лифлет укладывают либо в плоскую форму, либо обеспечивают желаемый радиус кривизны R и геометрическую форму в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого термоэлектрического генератора, затем насквозь прошивают лифлет композиционной нитью из углеволокна в местах, где не проходит спай; далее верхние и нижние стороны лифлета проклеивают композиционным материалом из класса карбоволокнитов в один или несколько слоев в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого термоэлектрического генератора.The essence of the claimed technical solution is a method for manufacturing a thermoelectric generator based on composite materials, which consists in taking a flexible substrate, which is a tape of composite materials of the carbon fiber class, two different types of conductive component are alternately applied to the flexible substrate, which are either a metal wire or a metal thread made of a number of semiconductor materials, each conductive component is applied in such a way that it is the side of an isosceles triangle, the angle between these sides lies in the range from 10 to 170 °, while each subsequent conductive component is applied inseparably from the previous one, while forming contact between the components at the apex angle of an isosceles triangle and at the vertices of the corners of the base of this triangle, while each type of conductive component is applied parallel to the side of the previous triangle from the same conductive component, then welding to the specified conductive components at the points of their contact, thus forming a plurality of electrical junctions and providing electrical p- and n-junctions, while the number of junctions between two dissimilar conductive components is equal to m, where m>1 (m is a natural series of numbers), with in this case, hot junctions are located on the side of a warm source, cold junctions are on the side of a cooling source; the resulting composite substrate with a thermoelectric structure is laid in a leaflet format so that the fold corresponds to each junction of the conductive components, thus forming the hot and cold sides of the thermoelectric generator; the resulting leaflet is laid either in a flat shape, or the desired radius of curvature R and geometric shape are provided depending on the required geometric parameters of the resulting thermoelectric generator, then the leaflet is stitched through with a carbon fiber composite thread in places where the junction does not pass; further, the upper and lower sides of the leaflet are glued with a composite material from the class of carbon fibers in one or several layers, depending on the required geometric parameters of the resulting thermoelectric generator.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 - Фиг.7.The claimed technical solution is illustrated in Fig.1 - Fig.7.

На Фиг.1 приведено расположение токопроводящих компонентов на подложке в виде ленты из композиционного материала.Figure 1 shows the location of the conductive components on the substrate in the form of a tape of composite material.

На Фиг.2 приведен термоэлектрический генератор с подложкой, выполненной в виде ленты с радиусом кривизны R1.Figure 2 shows a thermoelectric generator with a substrate made in the form of a tape with a radius of curvature R1.

На Фиг.3 приведена подложка в виде ленты из композиционного материала с токопроводящими компонентами, сложенная в формате лифлета.Figure 3 shows a substrate in the form of a tape of a composite material with conductive components, folded in leaflet format.

На Фиг.4 приведен термоэлектрический генератор с подложкой, выполненной в форме цилиндра с радиусом кривизны R2.Figure 4 shows a thermoelectric generator with a substrate made in the form of a cylinder with a radius of curvature R2.

На Фиг.5 приведена Таблица 1, в которой представлены параметры изготовления термоэлектрического генератора из различных композиционных материалов по различным режимам.Figure 5 shows Table 1, which presents the parameters of manufacturing a thermoelectric generator from various composite materials in various modes.

На Фиг.6 приведен экспериментальный стенд, имитирующий работу двигателя беспилотного летательного аппарата.Figure 6 shows an experimental stand that simulates the operation of the engine of an unmanned aerial vehicle.

На Фиг.7 приведена Таблица 2, в которой представлены результаты испытаний корпуса двигателя ЛА, изготовленного из термоэлектрического генератора (ТЭГ) на основе композиционных материалов, полученного заявленным способом.Figure 7 shows Table 2, which presents the test results of the aircraft engine housing made from a thermoelectric generator (TEG) based on composite materials obtained by the claimed method.

Позиции на фигурах обозначают:The positions on the figures indicate:

1 - подложка в виде ленты из композиционного материала,1 - a substrate in the form of a tape made of a composite material,

2 - токопроводящий компонент 1,2 - conductive component 1,

3 - токопроводящий компонент 2,3 - conductive component 2,

4 - электрические спаи,4 - electrical junctions,

R, R1, R2 - радиусы кривизны.R, R1, R2 - radii of curvature.

5 - нагнетательная труба, 5 - discharge pipe,

6 - термоэлектрический генератор, полученный заявленным способом6 - thermoelectric generator obtained by the claimed method

7 - термофен,7 - hot air gun,

8 - измерительный комплекс,8 - measuring complex,

9, 10 - термопары для фиксации термо-ЭДС на горячей и холодной сторонах генератора, 9, 10 - thermocouples for fixing thermo-EMF on the hot and cold sides of the generator,

11 - мультиметр,11 - multimeter,

12 - многофункциональный измеритель давления.12 - multifunctional pressure meter.

Далее заявителем приведено описание заявленного технического решения.Further, the applicant provides a description of the claimed technical solution.

Настоящее изобретение относится к способам изготовления термоэлектрических устройств, конкретно - термоэлектрических генераторов. Термоэлектрический генератор, полученный заявленным способом, содержит гибкую подложку из композиционного материала класса карбоволокнитов (углепластов) с нанесенными на нее первым и вторым различными токопроводящими компонентами таким образом, чтобы образовалось множество электрических переходов (спаев). При этом во внутренней части термоэлектрического генератора находятся горячие спаи, в наружной части - холодные спаи. Термоэлектрический генератор, полученный заявленным способом, возможно использовать для выработки электрического тока из отходящего тепла двигателя ЛА путем изготовления из него (ТЭГа) самого корпуса двигателя ЛА.The present invention relates to methods for manufacturing thermoelectric devices, specifically thermoelectric generators. The thermoelectric generator, obtained by the claimed method, contains a flexible substrate made of a composite material of the class of carbon fibers (carbon fiber) with the first and second various current-conducting components deposited on it in such a way that a plurality of electrical transitions (junctions) are formed. At the same time, hot junctions are located in the inner part of the thermoelectric generator, and cold junctions are located in the outer part. The thermoelectric generator obtained by the claimed method can be used to generate electric current from the waste heat of the aircraft engine by making the body of the aircraft engine itself from it (TEG).

Заявленный технический результат в целом достигается тем, что изготавливают термоэлектрический генератор из известных как таковых композиционных материалов класса карбоволокнитов (углепластиков) с образованием спаев между двух разнородных токопроводящих компонентов в количестве m (спаи), где m>1 (m - натуральный ряд чисел). Число m зависит от требуемых геометрических характеристик будущего ТЭГ. При этом горячие спаи находятся со стороны теплого источника (например, двигателя), холодные - со стороны охлаждающего источника (например, окружающего воздуха).The claimed technical result is generally achieved by making a thermoelectric generator from known as such composite materials of the class of carbon fibers (carbon fiber plastics) with the formation of junctions between two dissimilar conductive components in the amount of m (junctions), where m>1 (m is a natural series of numbers). The number m depends on the required geometric characteristics of the future TEG. In this case, hot junctions are located on the side of a warm source (for example, an engine), cold junctions are on the side of a cooling source (for example, ambient air).

Заявленный термоэлектрический генератор возможно выполнить в виде ленты с радиусом кривизны R1 (Фиг.2) или цилиндра с радиусом кривизны R2 (Фиг.4).The claimed thermoelectric generator can be made in the form of a tape with a radius of curvature R1 (Figure 2) or a cylinder with a radius of curvature R2 (Figure 4).

При этом термоэлектрический генератор не имеет хрупкой диэлектрической подложки, электрические спаи двух разнородных токопроводящих компонентов нанесены на подложку из композиционных материалов класса карбоволокнитов (углепластиков). Термоэлектрическую основу получают путем выкладывания проволоки или нити из двух разнородных токопроводящих компонентов на композиционный материал под углом от 10 до 170°. Затем при помощи, например, лазерной технологической установки или лазера обеспечивают сварку (образование электрических спаев) указанных токопроводящих компонентов.At the same time, the thermoelectric generator does not have a fragile dielectric substrate, the electrical junctions of two dissimilar conductive components are deposited on a substrate made of composite materials of the carbon fiber class (carbon fiber plastics). A thermoelectric base is obtained by laying a wire or thread from two dissimilar conductive components onto a composite material at an angle of 10 to 170°. Then, using, for example, a laser process unit or a laser, welding (formation of electrical junctions) of said conductive components is carried out.

Далее полученную подложку из композиционных материалов с термоэлектрической структурой укладывают в формате лифлета, которому далее придают необходимый радиус кривизны и геометрическую форму.Next, the resulting substrate of composite materials with a thermoelectric structure is laid in the leaflet format, which is then given the required radius of curvature and geometric shape.

Затем подложку прошивают композиционной нитью в местах, где не проходит спай.Then the substrate is stitched with a composite thread in places where the junction does not pass.

Полученный термоэлектрический генератор может быть интегрирован в качестве корпусного элемента в двигатель летательного аппарата.The obtained thermoelectric generator can be integrated as a housing element into the aircraft engine.

Далее заявителем приведена подробная последовательность действий заявленного способа.Further, the applicant provides a detailed sequence of actions of the claimed method.

1) Берут гибкую подложку, которая представляет собой ленту из композиционных материалов класса карбоволокнитов (углепластов), например, карбон (например, по ГОСТ 32667-2014), углеткань (углеволокно) (например, по ГОСТ Р 57407-2017), углелента (например, по ГОСТ 28005-88), углепластик (например, по ГОСТ Р 57970-2017). Лента может иметь любую длину (Д), ширину (Ш) и толщину (Т) в зависимости от требуемых геометрических характеристик будущего ТЭГ.1) They take a flexible substrate, which is a tape made of composite materials of the class of carbon fiber (carbon fiber), for example, carbon (for example, according to GOST 32667-2014), carbon fabric (carbon fiber) (for example, according to GOST R 57407-2017), carbon tape (for example , according to GOST 28005-88), carbon fiber (for example, according to GOST R 57970-2017). The tape can have any length (L), width (W) and thickness (T) depending on the required geometric characteristics of the future TEG.

2) На подложку из композиционного материала поочередно наносят два различных вида токопроводящего компонента, которые могут представлять собой либо металлическую проволоку, либо металлическую нить из полупроводниковых материалов (например, по ГОСТ 22622-77). Каждый токопроводящий компонент наносят таким образом, чтобы он являлся боковой стороной равнобедренного треугольника, угол между этими сторонами лежит в диапазоне от 10 до 170° (Фиг.1). Каждый последующий токопроводящий компонент наносят неразрывно от предыдущего, при этом образовывают контакт компонентов в вершине угла равнобедренного треугольника и в вершинах углов основания данного треугольника. Каждый вид токопроводящего компонента наносят параллельно стороне предыдущего треугольника из того же самого токопроводящего компонента.2) On a substrate of a composite material, two different types of conductive component are alternately applied, which can be either a metal wire or a metal thread made of semiconductor materials (for example, according to GOST 22622-77). Each conductive component is applied so that it is the side of an isosceles triangle, the angle between these sides lies in the range from 10 to 170° (Fig.1). Each subsequent conductive component is applied inseparably from the previous one, thus forming a contact of the components at the vertex of the angle of the isosceles triangle and at the vertices of the corners of the base of this triangle. Each kind of conductive component is applied parallel to the side of the previous triangle from the same conductive component.

3) При помощи, например, лазерной технологической установки либо лазера обеспечивают сварку указанных токопроводящих компонентов в местах их контакта, то есть в вершинах углов равнобедренного треугольника, таким образом формируют множество электрических спаев и обеспечивают электрический p- и n- переходы. Количество спаев между двух разнородных токопроводящих компонентов равно m, где m>1 (m - натуральный ряд чисел). Число m зависит от требуемых геометрических характеристик будущего ТЭГ. При этом горячие спаи находятся со стороны теплого источника (например, двигателя), холодные - со стороны охлаждающего источника (например, окружающего воздуха).3) Using, for example, a laser technological installation or a laser, welding of the specified conductive components is ensured at the points of their contact, that is, at the vertices of the corners of an isosceles triangle, thus forming a plurality of electrical junctions and providing electrical p- and n-junctions. The number of junctions between two dissimilar conductive components is equal to m, where m>1 (m is a natural series of numbers). The number m depends on the required geometric characteristics of the future TEG. In this case, hot junctions are located on the side of a warm source (for example, an engine), cold junctions are on the side of a cooling source (for example, ambient air).

4) Полученную композиционную ленту с термоэлектрической структурой укладывают в формате лифлета таким образом, чтобы места сгибов соответствовали каждому спаю токопроводящих компонентов. Таким образом формируют горячие и холодные стороны ТЭГ.4) The resulting composite tape with a thermoelectric structure is laid in the leaflet format in such a way that the folds correspond to each junction of the conductive components. In this way, the hot and cold sides of the TEG are formed.

5) Полученный лифлет укладывают либо в плоскую форму, либо обеспечивают желаемый радиус кривизны R и геометрическую форму (например, цилиндр) в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого ТЭГ, затем насквозь прошивают лифлет композиционной нитью из углеволокна в местах, где не проходит спай.5) The resulting leaflet is laid either in a flat shape, or the desired radius of curvature R and the geometric shape (for example, a cylinder) are provided, depending on the required geometric parameters of the resulting TEG, then the leaflet is stitched through with a carbon fiber composite thread in places where the junction does not pass.

6) Верхние и нижние поверхности лифлета проклеивают композиционным материалом из класса карбоволокниты (аналогично карбоволокнитам, указанным в п.1) в один или несколько слоев в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого ТЭГ. Проклейку осуществляют известными как таковыми способами, например, либо в матрице [https://sagrit.ru/tehnologii/tehnologiya-propitki-pod-davleniem-tehnologiya-rtm/], либо методом вакууммирования [https://www.skb-077.ru/blog/post/composite].6) The upper and lower surfaces of the leaflet are glued with a composite material from the carbon fiber class (similar to the carbon fibers specified in paragraph 1) in one or more layers, depending on the required geometric parameters of the resulting TEG. Sizing is carried out by methods known as such, for example, either in a matrix [https://sagrit.ru/tehnologii/tehnologiya-propitki-pod-davleniem-tehnologiya-rtm/], or by the vacuum method [https://www.skb-077 .ru/blog/post/composite].

Получают термоэлектрический генератор (ТЭГ).Get thermoelectric generator (TEG).

Далее заявителем приведены примеры осуществления заявленного технического решения.Further, the applicant provides examples of the implementation of the claimed technical solution.

Пример 1. Изготовление термоэлектрического генератора из карбона. Example 1. Production of a thermoelectric generator from carbon.

1) Берут гибкую подложку, которая представляет собой ленту, например, из карбона. Лента имеет размеры, например, Ш х Д х Т = 20 х 50 х 5 мм.1) Take a flexible substrate, which is a tape, for example, made of carbon. The tape measures, for example, W x D x D = 20 x 50 x 5 mm.

2) На ленту из карбона поочередно наносят два различных вида токопроводящего компонента в виде металлической проволоки, например, из хромель и копель. Каждый токопроводящий компонент наносят таким образом, чтобы он являлся боковой стороной равнобедренного треугольника, угол между этими сторонами равен, например, 10° (Фиг.1). Каждый последующий токопроводящий компонент хромель и копель наносят неразрывно от предыдущего, при этом образовывают контакт компонентов хромель и копель в вершине угла равнобедренного треугольника и в вершинах углов основания данного треугольника. Каждый вид токопроводящего компонента наносят параллельно предыдущей стороне треугольника из того же самого токопроводящего компонента.2) Two different types of conductive component in the form of a metal wire, for example, from chromel and copel, are alternately applied to the carbon tape. Each conductive component is applied so that it is the side of an isosceles triangle, the angle between these sides is, for example, 10° (Figure 1). Each subsequent chromel and kopel conductive component is applied inseparably from the previous one, while forming a contact between the chromel and kopel components at the apex of the angle of the isosceles triangle and at the vertices of the corners of the base of this triangle. Each type of conductive component is applied parallel to the previous side of the triangle of the same conductive component.

3) При помощи, например, лазерной технологической установки или лазера обеспечивают сварку указанных токопроводящих компонентов в местах их контакта, то есть в вершинах углов равнобедренного треугольника, таким образом формируют множество электрических спаев и обеспечивают электрический p- и n-переходы. Количество спаев m между двух разнородных токопроводящих компонентов равно, например, 1000. При этом горячие спаи находятся со стороны теплого источника (например, двигателя), холодные - со стороны охлаждающего источника (например, окружающего воздуха).3) Using, for example, a laser technological installation or a laser, welding of the specified conductive components is ensured at the points of their contact, that is, at the vertices of the corners of an isosceles triangle, thus forming a plurality of electrical junctions and providing electrical p- and n-junctions. The number of junctions m between two dissimilar conductive components is, for example, 1000. In this case, hot junctions are located on the side of a warm source (for example, an engine), cold junctions are on the side of a cooling source (for example, ambient air).

4) Полученную композиционную ленту с термоэлектрической структурой укладывают в формате лифлета таким образом, чтобы места сгибов соответствовали каждому спаю токопроводящих компонентов. Таким образом формируют горячие и холодные стороны ТЭГ.4) The resulting composite tape with a thermoelectric structure is laid in the leaflet format in such a way that the folds correspond to each junction of the conductive components. In this way, the hot and cold sides of the TEG are formed.

5) Полученный лифлет укладывают в плоскую форму, затем насквозь прошивают композиционной нитью из углеволокна в местах, где не проходит спай.5) The resulting leaflet is laid in a flat shape, then stitched through with a composite carbon fiber thread in places where the junction does not pass.

6) Верхние и нижние стороны лифлета проклеивают композиционным материалом - карбоном в один слой в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого ТЭГ. Проклейку осуществляют известными как таковыми способами, например, в матрице [https://sagrit.ru/tehnologii/tehnologiya-propitki-pod-davleniem-tehnologiya-rtm/].6) The upper and lower sides of the leaflet are glued with a composite material - carbon in one layer, depending on the required geometric parameters of the resulting TEG. Sizing is carried out by methods known as such, for example, in a matrix [https://sagrit.ru/tehnologii/tehnologiya-propitki-pod-davleniem-tehnologiya-rtm/].

Получают термоэлектрический генератор (ТЭГ).Get thermoelectric generator (TEG).

Пример 2 - 5. Изготовление термоэлектрического модуля из различных композиционных материалов по различным режимам. Example 2 - 5. Manufacturing of thermoelectric module from various composite materials according to various modes.

Проводят последовательность действий, аналогично Примеру 1, изменяя композиционные материалы и режимы. Результаты приведены в Таблице 1 на Фиг.5.Carry out a sequence of actions similar to Example 1, changing the composite materials and modes. The results are shown in Table 1 in Fig.5.

Из данных, приведенных в Таблице 1, можно сделать вывод, что заявителем изготовлен термоэлектрический модуль по заявленному способу с использованием всех признаков, приведенных в формуле изобретения, включая интервалы непрерывных значений и вариантов признаков.From the data given in Table 1, it can be concluded that the applicant has manufactured a thermoelectric module according to the claimed method using all the features listed in the claims, including intervals of continuous values and feature options.

Пример 6. Испытание термоэлектрического генератора, полученного заявленным способом. Example 6Thermoelectric generator test, obtained by the claimed method.

Для доказательства достижения заявленного технического результата, а также условия патентоспособности «промышленная применимость» заявителем проведены испытания термоэлектрического генератора, полученного заявленным способом, при использовании его в качестве корпусного элемента двигателя беспилотного летательного аппарата (БПЛА).To prove the achievement of the claimed technical result, as well as the conditions of patentability "industrial applicability", the applicant tested a thermoelectric generator obtained by the claimed method, when used as a housing element of an unmanned aerial vehicle (UAV) engine.

Для экспериментального исследования характеристик термоэлектрического генератора был разработан и создан экспериментальный стенд, имитирующий работу двигателя беспилотного летательного аппарата, представленный на Фиг. 6. Основными элементами стенда являются нагнетательная труба 5, термоэлектрический генератор 6, полученный заявленным способом, термофен 7, обеспечивающий нагрев воздушного потока до требуемой температуры и измерительный комплекс 8. Термоэлектрический генератор 6 преобразует температурный градиент в электрический ток, фиксируемый комбинированным электроизмерительным прибором. Экспериментальная установка снабжена средствами измерения: термопарами 9, 10 для фиксации термо-ЭДС на горячей и холодной сторонах генератора, мультиметром 11, многофункциональным измерителем давления 12.For an experimental study of the characteristics of a thermoelectric generator, an experimental stand was developed and created that simulates the operation of an unmanned aerial vehicle engine, shown in Fig. 6. The main elements of the stand are the injection pipe 5, the thermoelectric generator 6, obtained by the claimed method, the hot air gun 7, which provides heating of the air flow to the required temperature and the measuring complex 8. The thermoelectric generator 6 converts the temperature gradient into an electric current, recorded by the combined electrical measuring instrument. The experimental setup is equipped with measuring instruments: thermocouples 9, 10 for fixing thermo-EMF on the hot and cold sides of the generator, multimeter 11, multifunctional pressure meter 12.

Имитация корпуса двигателя БПЛА с корпусными элементами в виде термоэлектрического генератора представляет собой разборную конструкцию: в трубу (∅50 мм) в места квадратных отверстий закрепляют термоэлектрические модули, размером 40х40х10 мм с радиусом кривизны 5 мм, данная труба квадратного сечения встраивается в «холодную» трубу. Далее конструкция крепится к нагнетательной трубе через фланцевое соединение.Imitation of the UAV engine housing with housing elements in the form of a thermoelectric generator is a collapsible structure: thermoelectric modules are fixed in the pipe (∅50 mm) in the places of square holes, 40x40x10 mm in size with a curvature radius of 5 mm, this square tube is built into the "cold" pipe . Further, the structure is attached to the discharge pipe through a flange connection.

Устройство и принцип работы экспериментального стенда следующие: горячий воздух, проходя по трубе через ТЭГ, отдает некоторое количество теплоты последнему и уходит в помещение. Охлаждающий теплоноситель нагнетается в ТЭГ из окружающей среды посредством воздуходувки и также отводится в помещение.The device and principle of operation of the experimental stand are as follows: hot air, passing through the pipe through the TEG, gives off a certain amount of heat to the latter and goes into the room. The coolant is pumped into the TEG from the environment by means of a blower and is also discharged into the room.

Нагрев поверхности термоэлементов происходит в основном за счет конвективного теплообмена. Охлаждение спаев термоэлементов происходит за счет потока холодного воздуха, протекающего в полости, ограниченной металлическими корпусами, что приводит к возникновению разности значений температуры между «холодными» и «горячими» спаями термо-элементов. На спаях благодаря эффекту Зеебека возникает термо-ЭДС, которую можно по специальным токоотводам направлять к бортовым потребителям. В работе использовались ТЭГи, изготовленные заявленным способом согласно Таблицы 1.Heating of the surface of thermoelements occurs mainly due to convective heat transfer. Cooling of thermoelement junctions occurs due to the flow of cold air flowing in a cavity bounded by metal cases, which leads to the appearance of a temperature difference between the "cold" and "hot" junctions of thermoelements. At the junctions, due to the Seebeck effect, a thermo-EMF arises, which can be directed to on-board consumers through special down conductors. The work used TEGs manufactured by the claimed method according to Table 1.

Результаты испытаний корпуса двигателя ЛА из ТЭГ, изготовленных по заявленному способу, приведены в Таблице 2 на Фиг.7.The test results of the aircraft engine housing from TEG, manufactured according to the claimed method, are shown in Table 2 in Fig.7.

Эксперименты проводились при различных вариациях потоков - I вариант и II вариант.The experiments were carried out with different flow variations - variant I and variant II.

В I варианте скорость нагревающего потока, омывающего внутреннюю поверхность ТЭГ - воспроизведение внутренней части двигателя, оставалась неизменной, его температура составляла 450°С. Скорость охлаждающего потока изменялась в пределах 20-80 м/с.In variant I, the speed of the heating flow, washing the internal surface of the TEG - a reproduction of the internal part of the engine, remained unchanged, its temperature was 450°C. The speed of the cooling flow varied within 20-80 m/s.

Во II варианте постоянной оставалась скорость потока, омывающего внешнюю поверхность ТЭГ, его температура составляла 15°С.In variant II, the velocity of the flow around the outer surface of the TEG remained constant; its temperature was 15°C.

В ходе проведения эксперимента было выявлено, что при имитировании разных режимов работы двигателя на определенной высоте полета (т.е. при поддержании постоянной скорости охлаждающего потока и изменении скорости горячего потока) разница температур между горячим и холодным спаем систематически увеличивается.During the experiment, it was found that when simulating different engine operation modes at a certain flight altitude (i.e., while maintaining a constant cooling flow rate and changing the hot flow rate), the temperature difference between the hot and cold junctions systematically increases.

Из данных, приведенных в Таблице 2, видно, что корпус двигателя ЛА, изготовленный из ТЭГ, полученного по заявленному способу, выдерживает заданные температурные и прочностные нагрузки. При этом максимальная выработка электрической мощности на ТЭГе площадью 64 см2 составила 2 Вт (у прототипа такой же площади эта цифра составляет 1,5 Вт). Снижение массогабаритных характеристик по сравнению с прототипом такой же площади составило 100 г.From the data given in Table 2, it can be seen that the body of the aircraft engine, made of TEG obtained by the claimed method, can withstand the specified temperature and strength loads. At the same time, the maximum generation of electric power at a TEG with an area of 64 cm 2 was 2 W (for a prototype of the same area, this figure is 1.5 W). The reduction in weight and size characteristics compared to the prototype of the same area was 100 g.

Таким образом, из приведенного выше можно сделать вывод, что заявителем достигнут заявленный технический результат, а именно: расширен арсенал способов изготовления термоэлектрических генераторов с возможностью их применения для изготовления корпуса двигателя летательного аппарата, при этом:Thus, from the above, we can conclude that the applicant has achieved the claimed technical result, namely: the arsenal of methods for manufacturing thermoelectric generators has been expanded with the possibility of their use for manufacturing an aircraft engine housing, while:

- получены ТЭГ с требуемым радиусом кривизны или формы за счет использования гибкой подложки из композиционных материалов класса карбоволокниты (углепласты) (Таблица 1 на Фиг. 5), вследствие чего термоэлектрический генератор интегрирован в конструкцию ЛА в качестве корпусного элемента двигателя, так как способен сохранять заданную форму при воздействии высокотемпературных нагрузок (более 350°С) и высоких прочностных нагрузок (более 1300 МПа) (Таблица 2 на Фиг. 7).- TEGs with the required radius of curvature or shape were obtained by using a flexible substrate made of composite materials of the carbon fiber class (carbon fiber) (Table 1 in Fig. 5), as a result of which the thermoelectric generator is integrated into the aircraft structure as a body element of the engine, as it is able to maintain the specified shape when exposed to high temperature loads (more than 350°C) and high strength loads (more than 1300 MPa) (Table 2 in Fig. 7).

- увеличена выработка дополнительной электрической энергии (с одновременным отводом тепла) до 33% (Таблица 2 на Фиг. 7) при одновременном снижении массогабаритных параметров конструкции ЛА вследствие того, что термоэлектрический генератор интегрирован в ЛА в качестве корпусного элемента двигателя, что играет важную роль в ракетно-авиационной промышленности.- increased production of additional electrical energy (with simultaneous heat removal) up to 33% (Table 2 in Fig. 7) while reducing the weight and size parameters of the aircraft design due to the fact that the thermoelectric generator is integrated into the aircraft as a body element of the engine, which plays an important role in rocket and aviation industry.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна», предъявляемому к изобретениям, так как из исследованного уровня техники заявителем не выявлены технические решения, обладающие заявленной совокупностью существенных признаков.The claimed technical solution complies with the "novelty" patentability condition for inventions, since the applicant has not identified technical solutions with the declared set of essential features from the studied state of the art.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень», предъявляемому к изобретениям, поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на заявленный технический результат.The claimed technical solution complies with the "inventive step" patentability condition for inventions, since no technical solutions have been identified that have features that coincide with the distinctive features of the claimed invention, and the influence of the distinctive features on the claimed technical result has not been established.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемой к изобретениям, так как может быть изготовлена на стандартном оборудовании с использованием известных материалов и деталей.The claimed technical solution meets the condition of patentability "industrial applicability" for inventions, as it can be manufactured on standard equipment using known materials and parts.

Claims (1)

Способ изготовления термоэлектрического генератора на основе композиционных материалов, заключающийся в том, что берут гибкую подложку, которая представляет собой ленту из композиционных материалов класса карбоволокнитов, на гибкую подложку поочередно наносят два различных вида токопроводящего компонента, которые представляют собой либо металлическую проволоку, либо нить из ряда полупроводниковых материалов, каждый токопроводящий компонент наносят таким образом, чтобы он являлся боковой стороной равнобедренного треугольника, угол между этими сторонами лежит в диапазоне от 10 до 170°, при этом каждый последующий токопроводящий компонент наносят неразрывно от предыдущего, при этом образовывают контакт компонентов в вершине угла равнобедренного треугольника и в вершинах углов основания данного треугольника, при этом каждый вид токопроводящего компонента наносят параллельно стороне предыдущего треугольника из того же самого токопроводящего компонента, далее обеспечивают сварку указанных токопроводящих компонентов в местах их контакта, таким образом формируют множество электрических спаев и обеспечивают электрический p- и n- переходы, при этом количество спаев между двумя разнородными токопроводящими компонентами равно m, где m>1 (m – натуральный ряд чисел), при этом горячие спаи находятся со стороны теплого источника, холодные – со стороны охлаждающего источника; полученную композиционную подложку с термоэлектрической структурой укладывают в формате лифлета таким образом, чтобы место сгиба соответствовало каждому спаю токопроводящих компонентов, таким образом формируют горячие и холодные стороны термоэлектрического генератора; полученный лифлет укладывают либо в плоскую форму, либо обеспечивают желаемый радиус кривизны R и геометрическую форму в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого термоэлектрического генератора, затем насквозь прошивают лифлет композиционной нитью из углеволокна в местах, где не проходит спай; далее верхние и нижние стороны лифлета проклеивают композиционным материалом из класса карбоволокнитов в один или несколько слоёв в зависимости от требуемых геометрических параметров получаемого термоэлектрического генератора.A method for manufacturing a thermoelectric generator based on composite materials, which consists in in that a flexible substrate is taken, which is a tape of composite materials of the carbon fiber class, two different types of conductive component are alternately applied to the flexible substrate, which are either a metal wire or a thread from a number of semiconductor materials, each conductive component is applied in such a way that it was the lateral side of an isosceles triangle, the angle between these sides lies in the range from 10 to 170 °, while each subsequent conductive component is applied inseparably from the previous one, while forming a contact of the components at the vertex of the angle of the isosceles triangle and at the vertices of the corners of the base of this triangle, with in this case, each type of conductive component is applied parallel to the side of the previous triangle from the same conductive component, then the specified conductive components are welded at their points of contact, thus forming a plurality of electrical junctions and about provide electrical p- and n-junctions, while the number of junctions between two dissimilar conductive components is equal to m, where m>1 (m is a natural series of numbers), while hot junctions are on the side of a warm source, cold ones are on the side of a cooling source; the resulting composite substrate with a thermoelectric structure is laid in a leaflet format so that the fold corresponds to each junction of the conductive components, thus forming the hot and cold sides of the thermoelectric generator; the resulting leaflet is laid either in a flat shape, or the desired radius of curvature R and geometric shape are provided depending on the required geometric parameters of the resulting thermoelectric generator, then the leaflet is stitched through with a carbon fiber composite thread in places where the junction does not pass; further, the upper and lower sides of the leaflet are glued with a composite material from the class of carbon fibers in one or several layers, depending on the required geometric parameters of the resulting thermoelectric generator.
RU2021117693A 2021-06-17 Method for manufacturing a thermoelectric generator based on composite materials RU2778010C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2778010C1 true RU2778010C1 (en) 2022-08-12

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU224728U1 (en) * 2023-12-20 2024-04-02 Общество с ограниченной ответственностью "ТЭГ ИНЖИНИРИНГ" Aircraft engine housing

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012018387A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-20 Evonik Degussa Gmbh Thermoelectric generator i.e. energy converter, for use in textile machine i.e. embroidery machine, has thermal conductors electrically connected with each another and extended transverse to substrate plane by substrate
RU2521147C2 (en) * 2009-06-12 2014-06-27 Коммиссариат А Л'Энержи Атомик Э О Энержи Альтернатив Microcrystalline structure for thermoelectric generator based on seebeck effect, and method for manufacturing of such microcrystalline structure
RU2546830C2 (en) * 2010-06-04 2015-04-10 О-Флекс Технологиз Гмбх Thermoelectric element
DE102011115172B4 (en) * 2011-09-23 2017-02-16 Werner Neumann Method for producing a textile thermoelectric component, textile thermoelectric components and uses of a textile thermoelectric component
WO2017059392A1 (en) * 2015-09-30 2017-04-06 Purdue Research Foundation Flexible thermoelectric generator
WO2018047882A1 (en) * 2016-09-06 2018-03-15 国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学 FUNCTIONAL ELEMENT HAVING CELL SERIAL STRUCTURE OF π-TYPE THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENTS, AND METHOD FOR FABRICATING SAME
US20200044136A1 (en) * 2017-10-30 2020-02-06 Donghuajngyue (Suzhou) Textile Technology Research Co., Ltd Manufacturing method of thermoelectric conversion device having textile structure

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2521147C2 (en) * 2009-06-12 2014-06-27 Коммиссариат А Л'Энержи Атомик Э О Энержи Альтернатив Microcrystalline structure for thermoelectric generator based on seebeck effect, and method for manufacturing of such microcrystalline structure
RU2546830C2 (en) * 2010-06-04 2015-04-10 О-Флекс Технологиз Гмбх Thermoelectric element
DE102011115172B4 (en) * 2011-09-23 2017-02-16 Werner Neumann Method for producing a textile thermoelectric component, textile thermoelectric components and uses of a textile thermoelectric component
DE102012018387A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-20 Evonik Degussa Gmbh Thermoelectric generator i.e. energy converter, for use in textile machine i.e. embroidery machine, has thermal conductors electrically connected with each another and extended transverse to substrate plane by substrate
WO2017059392A1 (en) * 2015-09-30 2017-04-06 Purdue Research Foundation Flexible thermoelectric generator
WO2018047882A1 (en) * 2016-09-06 2018-03-15 国立大学法人奈良先端科学技術大学院大学 FUNCTIONAL ELEMENT HAVING CELL SERIAL STRUCTURE OF π-TYPE THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENTS, AND METHOD FOR FABRICATING SAME
US20200044136A1 (en) * 2017-10-30 2020-02-06 Donghuajngyue (Suzhou) Textile Technology Research Co., Ltd Manufacturing method of thermoelectric conversion device having textile structure

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU224728U1 (en) * 2023-12-20 2024-04-02 Общество с ограниченной ответственностью "ТЭГ ИНЖИНИРИНГ" Aircraft engine housing

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10483448B2 (en) Flexible thermoelectric devices, methods of preparation thereof, and methods of recovering waste heat therewith
US20090025774A1 (en) Thermoelectric means and fabric-type structure incorporating such a means
EP2279522B1 (en) Nanostructure-based heating devices and method of use
US10717844B2 (en) Multilayer conformable composites
Lee et al. Woven-yarn thermoelectric textiles
US10276475B2 (en) Thermal conductive stress relaxation structure
RU2700011C1 (en) Heated bench in which heating element from carbon fibre, having multilayer thermal layer is used
TW200832769A (en) Thermoelectric elements, method for manufacturing same, and use of same
US20090044848A1 (en) Nanostructured Material-Based Thermoelectric Generators
AU2021202294B2 (en) Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion module
RU2778010C1 (en) Method for manufacturing a thermoelectric generator based on composite materials
CN110195690A (en) Blade deicing device, blade and wind power generating set
KR101748757B1 (en) Heating sheet and manufacturing method thereof
KR102214307B1 (en) Battery cell module
Wu et al. Thermoelectric textile materials
Karalis et al. Carbon fiber/epoxy composite laminates as through-thickness thermoelectric generators
Hemrick et al. Woven graphite fiber structures for use in ultra-light weight heat exchangers
KR102268897B1 (en) Composite sheet and battery cell module using same
KR20150016994A (en) Process for producing a thermoelectric component and a thermoelectric component
RU224728U1 (en) Aircraft engine housing
CN105594300B (en) Strip heater
KR101628671B1 (en) Thermoelectric device using multifunctional composites and manufacturing method of the same
US11832518B2 (en) Woven thermoelectric ribbon
CN220023090U (en) Graphene heating module
KR101564612B1 (en) Multiscale composites for n-type element of thermoelectric device and manufacturing method of the same