RU124840U1 - RADIAL-RING THERMOELECTRIC GENERATOR BATTERY - Google Patents

Abstract

1. Термоэлектрическая генераторная батарея, содержащая термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно согнутых брусков, коммутирующие элементы термомодулей, внешнюю и внутреннюю трубчатые оболочки и токовводы, отличающаяся тем, что содержит кассету, выполненную из конструкционного изоляционного материала в виде полого цилиндра, в ячейки которой в шахматном порядке, чередуясь по типу проводимости, помещены полупроводниковые ветви; коммутирующие элементы термомодулей, соединяющие указанные полупроводниковые ветви электрически в батарею, представляют собой внешний и внутренний коммутационные слои, включающие основной коммутационный слой и барьерный слой, нанесенный непосредственно на полупроводниковые ветви в одном цикле напыления с основным коммутационным слоем; внутренняя трубчатая оболочка, выполняющая роль теплоприемника, расположена внутри кассеты и выполнена из теплопроводного металла, наружная поверхность которого снабжена электроизоляционным теплопроводным покрытием, а внешняя трубчатая оболочка нанесена непосредственно на наружную поверхность внешнего коммутационного слоя батареи и выполнена в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия.2. Термоэлектрическая генераторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что покрытие наружной поверхности внутренней трубчатой оболочки и внешняя трубчатая оболочка батареи выполнены в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия, например, из электрокорунда (AlO), нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) и т.п., нанесенного методами напыления или электрохимическ1. Thermoelectric generator battery containing thermomodules with many semiconductor pairs of branches of n- and p-types of conductivity, each of which has the form of arched bent bars, switching elements of thermomodules, external and internal tubular shells and current leads, characterized in that it contains a cassette made from structural insulating material in the form of a hollow cylinder, in the cells of which in a checkerboard pattern, alternating in the type of conductivity, semiconductor branches are placed; the switching elements of thermal modules connecting these semiconductor branches electrically to the battery are the external and internal switching layers, including the main switching layer and the barrier layer deposited directly on the semiconductor branches in one spraying cycle with the main switching layer; the inner tubular shell, which acts as a heat sink, is located inside the cassette and is made of heat-conducting metal, the outer surface of which is provided with an insulating heat-conducting coating, and the outer tubular shell is applied directly to the outer surface of the external switching layer of the battery and is made in the form of an insulating heat-conducting coating. 2. The thermoelectric generator battery according to claim 1, characterized in that the coating of the outer surface of the inner tubular shell and the outer tubular shell of the battery are made in the form of an insulating heat-conducting coating, for example, of aluminum oxide (AlO), aluminum nitride (AlN), beryllium oxide (BeO) and etc. applied by spraying or electrochemical

Description

Полезная модель относится к области создания термоэлектрических генерирующих полупроводниковых приборов, обеспечивающих прямое преобразование тепловой энергии в электрическую и работающих на эффекте Зеебека, а конкретно к конструкции термоэлектрической генераторной батареи (ТГБ) радиально-кольцевого типа.The utility model relates to the field of creating thermoelectric generating semiconductor devices that provide direct conversion of thermal energy into electrical energy and operate on the Seebeck effect, and specifically to the design of a thermoelectric generator battery (TGB) of a radial-ring type.

В настоящее время актуальной задачей энергетики является использование генерирующих установок: безопасных, не наносящих вред экологии, использующих альтернативные источники энергии. Общество заинтересовано в получении экологически чистых, удобных в обращении, максимально приближенных к потребителю, рассредоточенных теплоэлектрогенераторов не слишком большой мощности, обладающих высоким коэффициентом полезного действия (КПД) и не представляющих опасности ни для человека, ни для окружающей среды, способных максимально использовать бросовое бесполезно выделяемое тепло от сжигания любого вида топлива, геотермальных источников, а также тепловую энергию многих технологических и химических процессов.Currently, the urgent task of the energy sector is the use of generating facilities: safe, environmentally friendly, using alternative energy sources. The company is interested in obtaining environmentally friendly, convenient to handle, as close as possible to the consumer, dispersed heat generators of not too high power, having a high coefficient of performance (COP) and not hazardous to humans or the environment, capable of maximizing the use of waste waste heat from burning any type of fuel, geothermal sources, as well as the thermal energy of many technological and chemical processes.

Термоэлектрические генераторные батареи (ТГБ) являются основным элементом термоэлектрических устройств генераторного типа, обеспечивающих прямое преобразование тепловой энергии (промышленных тепловых отходов и бросового тепла от тепловых машин - двигателей внутреннего сгорания, газовых турбин и др.) в электрическую, работающих на эффекте Зеебека [1]. Теплоэлектрогенераторы являются дополнительным источником электрической энергии, которая может быть использована как для внутренних потребностей, так и для передачи ее во внешнюю электрическую цепь, в том числе для питания средств связи, аппаратуры автоматики и телемеханики, для катодной защиты от коррозии нефтегазовых трубопроводов в труднодоступных географических районах со сложными метеоусловиями. В основном, эксплуатация теплоэлектрогенераторов в таких районах сопровождается резкими перепадами температуры, давления, влажности. В связи с этим особое значение для генераторов приобретают такие параметры, как максимальный ресурс работы и высокая надежность, которые зависят главным образом от качества ТГБ.Thermoelectric generator batteries (TGB) are the main element of generator-type thermoelectric devices that provide direct conversion of thermal energy (industrial thermal waste and waste heat from heat engines - internal combustion engines, gas turbines, etc.) into electrical energy, working on the Seebeck effect [1] . Thermoelectric generators are an additional source of electrical energy, which can be used both for internal needs and for transferring it to an external electric circuit, including for supplying communications, automation equipment and telemechanics, for cathodic corrosion protection of oil and gas pipelines in remote geographic areas with difficult weather conditions. Basically, the operation of thermoelectric generators in such areas is accompanied by sharp changes in temperature, pressure, humidity. In this regard, parameters such as the maximum service life and high reliability, which depend mainly on the quality of thermal shock generators, become especially important for generators.

Широко известны различные конструкции ТГБ, основными из которых являются: плоская (панельная), радиально-кольцевая, шаровая. Вне зависимости от типа конструкции ТГБ к ним неизменно предъявляется ряд основных требований - ТГБ должны:Widely known various designs of TGB, the main of which are: flat (panel), radial-ring, ball. Regardless of the type of TGB design, a number of basic requirements are invariably presented to them - TGB must:

- быть компактными,- be compact

- аккумулировать по возможности большую часть подведенного к ней тепла,- accumulate as much of the heat supplied to it as possible,

- обладать максимально возможным КПД,- have the highest possible efficiency,

- обладать необходимой механической прочностью и химической стойкостью в условиях большого градиента температур в течение максимально длительного времени,- possess the necessary mechanical strength and chemical resistance under conditions of a large temperature gradient for the longest possible time,

- обладать технологичностью изготовления, т.е. технология должна допускать механизацию процесса изготовления при низких материальных и трудозатратах.- have manufacturability, i.e. the technology should allow mechanization of the manufacturing process at low material and labor costs.

Например, известна генераторная термоэлектрическая батарея, состоящая из чередующихся полупроводниковых ветвей n- и p- типов проводимости скоммутированных электрически тонкопленочными электродами [2]. Данная конструкция имеет ряд недостатков:For example, a thermoelectric generator battery is known, consisting of alternating semiconductor branches of n- and p-types of conductivity connected by electrically thin-film electrodes [2]. This design has several disadvantages:

- покрытие внешнеоребренных стенок батареи из слоя эмали, например, марки «КО-89 ТУ6-10-2024-85», характеризуется низкой эластичностью, что наряду со значительной разницей в температурных коэффициентах расширения с основными элементами конструкции, приводит к растрескиванию и отслоению этого герметизирующего покрытия, т.е. к появлению участков конструкции близких к теплопоглощающему теплопереходу, где происходит интенсивная сублимация полупроводникового материала ветвей и, как следствие, снижение электрофизических выходных параметров батареи;- coating the externally ribbed walls of the battery from an enamel layer, for example, of the grade “KO-89 TU6-10-2024-85”, is characterized by low elasticity, which, along with a significant difference in temperature expansion coefficients with the main structural elements, leads to cracking and delamination of this sealing coatings, i.e. to the appearance of structural sections close to the heat-absorbing heat transfer, where there is intense sublimation of the semiconductor material of the branches and, as a result, a decrease in the electrophysical output parameters of the battery;

- применение керамического тонкопленочного мозаичного покрытия теплопоглощающей и тепловыделяющей сторон батареи не обеспечивает герметичности конструкции батареи, так как при этом конструктивном решении арматурный решетчатый каркас из стеклотекстолита подвержен прямому воздействию кислорода и высоких температур, помимо этого тонкопленочное керамическое покрытие подвержено растрескиванию и разрушению;- the use of a ceramic thin-film mosaic coating of the heat-absorbing and heat-releasing sides of the battery does not ensure the tightness of the battery structure, since with this structural solution the reinforced wire frame made of fiberglass is directly affected by oxygen and high temperatures, in addition to this, the thin-film ceramic coating is subject to cracking and destruction;

- использование стеклотекстолита для изготовления планок арматурного решетчатого каркаса приводит к тому, что при длительном температурном воздействии более 200°С происходит выгорание модифицированного фенолоформальдегидного связующего стеклотекстолита с образованием газообразной составляющей дополнительно разрушающей герметичность конструкции изнутри и полной потерей механической жесткости арматурного решетчатого каркаса;- the use of fiberglass for the manufacture of slats for the reinforcing lattice framework leads to the fact that with a prolonged temperature exposure of more than 200 ° C, the modified phenol-formaldehyde binder fiberglass is burned out with the formation of a gaseous component that additionally destroys the tightness of the structure from the inside and the complete loss of mechanical rigidity of the reinforcing lattice framework;

- изготовление тонкопленочных коммутирующих шин обуславливает использование в технологии изготовления батарей дорогостоящего и сложного оборудования вакуумного напыления тонких пленок и операций фотолитографии, что приводит к значительному увеличению себестоимости батареи;- the manufacture of thin-film switching buses causes the use in the manufacturing technology of batteries of expensive and sophisticated equipment for vacuum deposition of thin films and photolithography operations, which leads to a significant increase in the cost of the battery;

- сложность обеспечения теплового сопряжения термоэлементов указанной батареи, как и других плоских батарей, с трубчатыми конструкциями теплообменников, которые наиболее широко используются в промышленности, начиная от бытовой теплотехники для транспортировки газовых и жидкостных теплоносителей до специального применения в ядерной энергетике.- the difficulty of providing thermal coupling of the thermoelements of the specified battery, as well as other flat batteries, with tubular designs of heat exchangers, which are most widely used in industry, from household heat engineering for transporting gas and liquid heat carriers to special applications in nuclear power.

Цилиндрические элементы трубчатых конструкций теплообменников, с передачей тепла по радиусу, конструктивно хорошо сопрягаются с ТГБ радиально-кольцевого типа, имеющими более высокие удельные энергетические характеристики за счет снижения массы конструктивных элементов, обеспечивающих тепловое сопряжение термоэлементов с элементами конструкций подвода тепла и его сброса.The cylindrical elements of the tubular structures of the heat exchangers, with heat transfer along the radius, are structurally well mated with the radial-ring type thermoblocks, which have higher specific energy characteristics due to the reduction in the mass of structural elements that provide thermal coupling of thermoelements with the elements of the heat supply and its discharge structures.

Однако, в известных конструкциях ТГБ радиально-кольцевого типа, как правило, имеются следующие недостатки: низкий ресурс эксплуатации, связанный с деградацией свойств основных элементов конструкции; низкая механическая прочность, приводящая к аварийным отказам в ходе работы при значительных температурных градиентах; низкие электрофизические выходные параметры; невозможность работы в условиях значительных градиентов температур; низкие значения КПД и вырабатываемой электрической мощности. Немаловажными недостатками также являются нетехнологичность и сложность конструкции, приводящая к невозможности автоматизации и механизации процесса изготовления, и как следствие - высокая себестоимость и дороговизна ТГБ радиально-кольцевого типа и теплоэлектрогенератора в целом.However, in the well-known designs of radial-ring-type TGB, as a rule, there are the following disadvantages: low service life associated with degradation of the properties of the main structural elements; low mechanical strength, leading to emergency failures during operation at significant temperature gradients; low electrophysical output parameters; the inability to work in conditions of significant temperature gradients; low values of efficiency and generated electric power. Important disadvantages are also low-tech and design complexity, which leads to the impossibility of automation and mechanization of the manufacturing process, and as a result - the high cost and high cost of radial-ring type thermal shock generators and the heat generator as a whole.

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному техническому решению является конструкция термоэлектрической генераторной батареи [3], содержащая термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости с внутренними электропроводящими соединениями ветвей, а также коммутирующие элементы термомодулей для их соединения между собой и токовводы, где термомодули выполнены в виде разрезной шайбы, составленной из последовательно соединенных ветвей n- и p-типов, каждая из которых имеет форму дугообразно согнутых брусков, установленных по дугообразной образующей с зазором между соседними ветвями, при этом внутренние электропроводящие соединения ветвей выполнены в виде бимсовых ребер, закрепленных на внешней и внутренней сторонах упомянутой разрезной шайбы, причем каждое бимсовое ребро соединяет последовательно n-тип одной полупроводниковой ветви с p-типом соседней ветви, при этом коммутирующие элементы термомодулей выполнены в виде парусообразных пластин, например, из меди и размещены вдоль разреза шайбы, параллельно соединяя соседние термомодули так, что образуют последовательное соединение двух соседних пар термомодулей с возможностью образования единой электрической цепи.The closest in technical essence to the claimed technical solution is the design of a thermoelectric generator battery [3], containing thermal modules with many semiconductor pairs of branches of n- and p-types of conductivity with internal electrically conductive connections of the branches, as well as switching elements of thermal modules for connecting them to each other and current leads where the thermal modules are made in the form of a split washer composed of series-connected branches of n- and p-types, each of which has the shape of an arcuately bent rods installed along an arcuate generatrix with a gap between adjacent branches, while the internal electrically conductive connections of the branches are made in the form of beams ribs mounted on the outer and inner sides of the said split washer, and each beams rib connects in series the n-type of one semiconductor branch with p-type adjacent branches, while the switching elements of the thermal modules are made in the form of sail-like plates, for example, of copper and placed along the washer section, in parallel connecting adjacent thermal so that they form a series connection of two adjacent pairs of thermal modules with the possibility of forming a single electrical circuit.

Основным недостатком этой конструкции ТГБ радиально-кольцевого типа является низкая надежность, обусловленная малой механической прочностью и высокой хрупкостью полупроводниковых пар ветвей, причиной которых является низкая адгезия припрессованных подкоммутационных слоев полупроводниковых ветвей, к которым производится припайка коммутирующих элементов термомодулей в виде парусообразных пластин. Такая батарея, обладая малой прочностью, может разрушаться под действием механических нагрузок, возникающих вследствие теплового расширения и различия термических коэффициентов элементов конструкции.The main disadvantage of this design of radial-ring-type TGB is the low reliability due to the low mechanical strength and high fragility of the semiconductor pairs of branches, the reason for which is the low adhesion of the pressed sub-switching layers of the semiconductor branches, to which the switching elements of the thermal modules are soldered in the form of sail-like plates. Such a battery, having low strength, can be destroyed under the action of mechanical stresses arising due to thermal expansion and differences in thermal coefficients of structural elements.

Также к ее недостаткам можно отнести низкую технологичность и сложность конструкции, причиной которой является необходимость использования для ее сборки процессов пайки, плохо поддающихся процессам механизации и автоматизации и требующих применение сложной технологической оснастки, что обуславливает дороговизну готового продукта. Кроме того, пайка припоев с высокими температурами плавления (~300°С) на основе свинца и химически активных флюсов с галогенами является весьма экологически грязным и вредным процессом. Использование безсвинцовых припоев значительно удорожает изделие и снижает его рабочий ресурс.Also its disadvantages include low manufacturability and design complexity, the reason for which is the need to use soldering processes for its assembly, which are difficult to mechanize and automate and require the use of complex technological equipment, which leads to the high cost of the finished product. In addition, the soldering of solders with high melting points (~ 300 ° C) based on lead and chemically active fluxes with halogens is a very environmentally dirty and harmful process. The use of lead-free solders significantly increases the cost of the product and reduces its working life.

Серийно изготавливаемого оборудования для автоматизации процессов сборки радиально-кольцевых батарей такой конструкции нет, а имеющееся оборудование для пайки в инертных средах не может быть использовано по причине коррозионного воздействия химически активных флюсов и припоев при весьма высоких температурах пайки, более 400°С.Serially manufactured equipment for automating the assembly of radial-ring batteries is not of such a design, and the available equipment for soldering in inert environments cannot be used due to the corrosive effects of chemically active fluxes and solders at very high soldering temperatures, more than 400 ° C.

Наличие прослойки припоя в данной конструкции между полупроводниковыми ветвями и коммутационными пластинами уменьшает электрофизические выходные параметры данной конструкции, так как припой, имея низкую теплопроводность (от 10 до 90 Вт/м·К), вносит паразитное тепловое сопротивление теплопоглощающего и тепловыделяющего теплопереходов указанной ТГБ радиально кольцевого типа.The presence of a layer of solder in this design between the semiconductor branches and the connection plates reduces the electrophysical output parameters of this design, since the solder, having low heat conductivity (from 10 to 90 W / m · K), introduces spurious thermal resistance of the heat-absorbing and heat-releasing heat transfers of the indicated radial-ring TGB type.

Еще одним недостатком этой конструкции является сложность крепления термомодулей к внешней и внутренней трубчатым оболочкам при размещении их в полости между ними. Помимо того, что подобные трубчатые оболочки обычно выполнены из дорогостоящей теплопроводной керамики толщиной более 3 мм, крепление к ним возможно только при помощи теплопроводных слоев типа клея, пасты ит.п., что дополнительно увеличивает тепловое сопротивление теплопоглощающего и тепловыделяющего теплопереходов ТГБ радиально кольцевого типа.Another disadvantage of this design is the difficulty of attaching thermal modules to the outer and inner tubular shells when placing them in the cavity between them. In addition to the fact that such tubular shells are usually made of expensive heat-conducting ceramics with a thickness of more than 3 mm, fastening to them is possible only with the help of heat-conducting layers such as glue, paste, etc., which additionally increases the thermal resistance of the heat-absorbing and heat-generating heat transfers of the TGB radially ring type.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в создании механически прочной, надежной, технологичной по конструкции термоэлектрической батареи радиально-кольцевого типа.The problem to which the claimed technical solution is directed is to create a mechanically strong, reliable, technologically advanced radial-ring type thermoelectric battery.

Технический результат:Technical result:

- повышение электрофизических выходных параметров за счет устранения, во-первых, прослойки припоя между полупроводниковыми ветвями и коммутационными пластинами и, во-вторых, теплопроводных слоев типа клея, пасты и т.п., т.е. за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах;- increasing the electrophysical output parameters by eliminating, firstly, the layer of solder between the semiconductor branches and patch plates and, secondly, heat-conducting layers such as glue, paste, etc., i.e. by reducing parasitic thermal resistances at heat transitions;

- механическая прочность и трещиностойкость конструкции, за счет исключения припрессованных подкоммутационных слоев полупроводниковых ветвей, что позволяет обеспечить длительный ресурс безаварийной работы;- mechanical strength and crack resistance of the structure, due to the exclusion of the pressed sub-switching layers of the semiconductor branches, which allows to ensure a long life of trouble-free operation;

- технологичность конструкции за счет исключения в процессе изготовления ТГБ операции припресовки коммутационных слоев, сборки пайкой и размещения термомодулей в полости между внешней и внутренней трубчатыми оболочками;- manufacturability of the design due to the exclusion during the manufacturing process of the TGB of the operation of pressing the switching layers, soldering and placement of thermal modules in the cavity between the outer and inner tubular shells;

- увеличение диапазона рабочих температур, т.к. предложенная конструкция ТГБ обладает повышенной термостойкостью за счет исключения из конструкции припоя, обладающего более низким диапазоном рабочих температур по сравнению с диапазоном рабочих температур используемого полупроводника.- increase in the range of operating temperatures, as the proposed TGB design has increased heat resistance due to the exclusion of solder from the design, which has a lower range of operating temperatures compared to the operating temperature range of the semiconductor used.

Дополнительный технический результат - экологичность изготовления предложенной ТГБ за счет исключения из технологии операций пайки, как правило, осуществляемых вручную.An additional technical result is the environmental friendliness of the proposed TGB production due to the exclusion of soldering operations from the technology, as a rule, carried out manually.

Поставленная задача достигается за счет того, что в конструкцию термоэлектрической генераторной батареи, содержащей термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, где каждая из ветвей имеет форму дугообразно согнутых брусков, установленных по дугообразной образующей, коммутирующие элементы термомодулей для их соединения между собой с возможностью образования единой электрической цепи, внешнюю и внутреннюю трубчатые оболочки и токовводы, внесены следующие новые признаки:The problem is achieved due to the fact that in the design of a thermoelectric generator battery containing thermal modules with many semiconductor pairs of branches of n- and p-types of conductivity, where each of the branches has the shape of arcuately bent bars installed along an arcuate generatrix, the switching elements of the thermomodules for their connection with each other with the possibility of forming a single electrical circuit, the outer and inner tubular shells and current leads, the following new features have been introduced:

- в качестве дугообразной образующей использована кассета, выполненная из конструкционного изоляционного материала в виде полого цилиндра, в ячейках которой располагаются полупроводниковые ветви, чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке, такое техническое решение обеспечивает топологию электрического соединения ветвей со сторон теплопереходов, а также электрическую и тепловую изоляцию ветвей между собой;- a cassette made of structural insulating material in the form of a hollow cylinder is used as an arcuate generatrix, in the cells of which there are semiconductor branches, alternating in staggered type of conductivity, this technical solution provides the topology of the electrical connection of the branches from the sides of the heat junctions, as well as electrical and thermal isolation of branches among themselves;

- коммутирующие элементы термомодулей, соединяющие их электрически в батарею, представляют собой внешний и внутренний коммутационный слой, включающий основной коммутационный слой и барьерный слой, нанесенный непосредственно на полупроводниковые ветви в одном цикле напыления с основным коммутационным слоем;- the switching elements of thermal modules, connecting them electrically to the battery, are an external and internal switching layer, including the main switching layer and the barrier layer deposited directly on the semiconductor branches in the same spraying cycle with the main switching layer;

- основной коммутационный слой выполнен из металлов с высокой электропроводностью, например, серебра, меди, алюминия, никеля, их сплавов и пр.;- the main switching layer is made of metals with high electrical conductivity, for example, silver, copper, aluminum, nickel, their alloys, etc .;

- барьерный слой, расположенный между полупроводниковыми ветвями и основным коммутационным слоем, выполнен из металлов следующего ряда: ванадий, никель, сурьма, молибден, кобальт, хром, их сплавы и пр. Барьерный слой служит для увеличения адгезии и предотвращения диффузии материала основного коммутационного слоя;- the barrier layer located between the semiconductor branches and the main switching layer is made of metals of the following series: vanadium, nickel, antimony, molybdenum, cobalt, chromium, their alloys, etc. The barrier layer serves to increase adhesion and prevent diffusion of the material of the main switching layer;

- суммарная толщина коммутационного слоя (основного и барьерного) в зависимости от вида используемого металла и величины расчетного тока батареи может быть от 0,5 до 3 мм;- the total thickness of the switching layer (main and barrier) depending on the type of metal used and the value of the estimated battery current can be from 0.5 to 3 mm;

- внутренняя трубчатая оболочка, выполняющая роль теплоприемника расположена внутри кассеты, в ячейках которой располагаются скоммутированные электрически полупроводниковые ветви и выполнена из теплопроводного металла, внешняя поверхность внутренней трубчатой оболочки снабжена электроизоляционным теплопроводным покрытием;- the inner tubular shell, which acts as a heat sink, is located inside the cassette, in the cells of which are located electrically switched semiconductor branches and made of heat-conducting metal, the outer surface of the inner tubular shell is equipped with an insulating heat-conducting coating;

- внешняя трубчатая оболочка представляет собой нанесенный непосредственно на наружную поверхность внешнего коммутационного слоя ТГБ слой электроизоляционного теплопроводного покрытия, что позволяет увеличить выходные электрофизические параметры конструкции за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах, свойственных прототипу из-за наличия в нем теплопроводных слоев типа клея, пасты и т.п;- the outer tubular shell is a layer of electrical insulating heat-conducting coating applied directly onto the outer surface of the external switching layer of the TGB, which allows to increase the output electrophysical parameters of the structure due to the reduction of spurious thermal resistances at the thermal transitions characteristic of the prototype due to the presence of heat-conducting layers such as glue, paste etc;

- электроизоляционное теплопроводное покрытие внешней поверхности внутренней трубчатой оболочки и внешняя трубчатая оболочка батареи представляют собой нанесенную методами напыления или электрохимического оксидирования пленку из электрокорунда (Al₂O₃), нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) и тому подобных материалов.- the electrical insulating heat-conducting coating of the outer surface of the inner tubular shell and the outer tubular shell of the battery is a film of electrocorundum (Al ₂ O ₃ ), aluminum nitride (AlN), beryllium oxide (BeO) and the like materials deposited by spraying or electrochemical oxidation methods.

Совокупность вышеуказанных признаков, обеспечивающих заявленный технический результат, не выявлены из уровня техники, следовательно, полезная модель отвечает критерию «новизна» и соответствует условию «промышленная применимость», т.к. имеет применение в промышленности: может быть использована в различных термоэлектрических теплоэлектрогенераторах, обладающих уникальными сочетаниями конструктивных и эксплуатационных характеристик, таких, как отсутствие движущихся деталей, высокая надежность, возможность эксплуатации в течение нескольких лет без обслуживания или при минимальном периодическом обслуживании, возможность использования теплоты от любых источников тепловой энергии, способность работы не зависимо от пространственного положения и вида окружающей среды: в сложных климатических условиях, под водой, под землей, в космосе.The combination of the above features providing the claimed technical result is not identified from the prior art, therefore, the utility model meets the criterion of "novelty" and meets the condition of "industrial applicability", because has industrial applications: it can be used in various thermoelectric heat generators with unique combinations of design and operational characteristics, such as the absence of moving parts, high reliability, the ability to operate for several years without maintenance or with minimal periodic maintenance, the ability to use heat from any sources of thermal energy, the ability to work regardless of the spatial position and type of environment s: in difficult climatic conditions, under water, underground, in space.

Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:The essence of the claimed device is illustrated by the following drawings:

- фиг.1 - термопара полупроводниковых ветвей, вид сбоку;- figure 1 - thermocouple of semiconductor branches, side view;

- фиг.2 - термопара полупроводниковых ветвей, изометрический вид;- figure 2 is a thermocouple of semiconductor branches, isometric view;

- фиг.3 - кассета для полупроводниковых ветвей, изометрический вид;- figure 3 - cassette for semiconductor branches, isometric view;

- фиг.4 - термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа с внутренней трубчатой оболочкой, выполняющей роль теплоприемника, без внешнего коммутационного слоя, изометрический вид;- figure 4 - thermoelectric generator battery of radial-ring type with an inner tubular sheath, which acts as a heat sink, without an external switching layer, isometric view;

- фиг.5а - внутренняя трубчатая оболочка, выполняющая роль теплоприемника, с электроизоляционным теплопроводным покрытием, изометрический вид;- figa - the inner tubular shell, acting as a heat sink, with electrical insulating heat-conducting coating, isometric view;

- фиг.5б - термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа с внешним коммутационным слоем, но без цилиндрического теплоприемника и внешней трубчатой оболочки, изометрический вид.- figb - thermoelectric generator battery of a radial-ring type with an external switching layer, but without a cylindrical heat sink and an external tubular shell, isometric view.

Заявляемая полезная модель - термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа состоит из полупроводниковых ветвей 1 с проводимостями p- и n-типов, выполненных в виде дугообразно согнутых брусков. Угол раскрытия, толщина и высота ветви могут быть различными, в зависимости от расчетных характеристик ТГБ радиально-кольцевого типа, вплоть до того, что ветвь может быть кольцевой. Ветви 1 соединены электрически в батарею внешним коммутационным слоем 2 и внутренним коммутационным слоем 3. Коммутационные слои 2 и 3 выполнены из металла с высокой электропроводностью, например серебра, меди, алюминия, никеля, и/или из их сплавов. Для увеличения адгезии и предотвращения диффузии материала коммутационных слоев 2 и 3 непосредственно на полупроводниковые ветви 1 в одном цикле напыления с коммутационными слоями 2 и 3 нанесены барьерные слои 4 из ряда металлов ванадий, никель, сурьма, молибден, кобальт, хром, и/или их сплавы. Суммарная толщина внешнего коммутационного слоя 2 и барьерного слоя 4, также как суммарная толщина внутреннего коммутационного слоя 3 и барьерного слоя 4, в зависимости от вида основного металла, коммутации и величины протекающего тока может быть от 0,5 до 3 мм. Топологию электрического соединения со сторон теплопереходов, а также электрическую и тепловую изоляцию ветвей 1 между собой обеспечивает кассета 5, изготовленная из конструкционного изоляционного материала, например полиимида, стеклотекстолита, фторопласта, слюды мусковит, теплоизоляционной керамики форстерита, стеатита и пр. Полупроводниковые ветви 1 помещены в ячейки кассеты 5, чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке. Внутри кассеты 5 с расположенными в ней скоммутированными электрически ветвями 1 находится внутренняя трубчатая оболочка 6, выполняющая роль теплоприемника, и представляющая собой трубу круглого сечения из теплопроводного металла, например, меди, алюминия, стали и пр, снабженную с наружной стороны электроизоляционным теплопроводным покрытием 7. Электроизоляционное теплопроводное покрытие 7 и внешняя трубчатая оболочка (на фигурах не показана) на внешнем коммутационном слое 2, выполнены в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия из электрокорунда (Al₂O₃), нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) и тому подобных материалов, нанесенных методами напыления, электрохимического оксидирования и др.The inventive utility model is a thermoelectric generator battery of radial-ring type consists of semiconductor branches 1 with conductivity p- and n-types, made in the form of arcuate bent bars. The opening angle, thickness and height of the branches can be different, depending on the design characteristics of the TGB radial-ring type, up to the fact that the branch can be circular. The branches 1 are electrically connected to the battery by an external switching layer 2 and an internal switching layer 3. The switching layers 2 and 3 are made of metal with high electrical conductivity, for example silver, copper, aluminum, nickel, and / or their alloys. To increase the adhesion and prevent diffusion of the material of the switching layers 2 and 3, directly on the semiconductor branches 1 in the same deposition cycle with the switching layers 2 and 3, barrier layers 4 of a number of vanadium, nickel, antimony, molybdenum, cobalt, chromium, and / or them are applied alloys. The total thickness of the outer switching layer 2 and the barrier layer 4, as well as the total thickness of the inner switching layer 3 and the barrier layer 4, depending on the type of base metal, switching and the magnitude of the flowing current, can be from 0.5 to 3 mm. The topology of the electrical connection from the sides of the heat transfer, as well as the electrical and thermal insulation of the branches 1 to each other, is provided by the cartridge 5 made of structural insulating material, for example polyimide, fiberglass, fluoroplastic, mica muscovite, heat-insulating ceramics of forsterite, steatite, etc. Semiconductor branches 1 are placed in cells of the cartridge 5, alternating in the type of conductivity in a checkerboard pattern. Inside the cassette 5 with the electrically switched branches 1 located inside it, there is an inner tubular shell 6, which acts as a heat sink, and is a circular tube made of heat-conducting metal, for example, copper, aluminum, steel, etc., provided with an insulating heat-conducting coating 7 from the outside. The insulating heat-conducting coating 7 and the outer tubular sheath (not shown in the figures) on the outer switching layer 2 are made in the form of an insulating heat-conducting coating tions of corundum (Al ₂ O _3), aluminum nitride (AlN), beryllium oxide (BeO), and similar materials, applied by spraying, electrochemical oxidation, and others.

Предлагаемая термоэлектрическая генераторная батарея радиально-кольцевого типа может быть установлена на источник тепла трубчатой конструкции либо может быть врезана в теплопровод, имеющий цилиндрическую форму. С наружной стороны ТГБ устанавливается холодный радиатор.The proposed thermoelectric generator battery of radial ring type can be installed on a heat source of a tubular structure or can be embedded in a heat pipe having a cylindrical shape. A cold radiator is installed on the outside of the TGB.

Тепло от источника тепла через цилиндрический теплоприемник 6 поступает на внутренний коммутационный слой 3, выполненный из металла с высокой электропроводностью, например, серебро, медь, алюминий, никель, их сплавы.Heat from a heat source through a cylindrical heat sink 6 enters the inner switching layer 3 made of metal with high electrical conductivity, for example, silver, copper, aluminum, nickel, and their alloys.

При этом, за счет эффекта Зеебека (возникновение электродвижущей силы в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми находятся при различных температурах), в цепи последовательно соединенных полупроводниковых ветвей 1 с проводимостями p- и n-типов, выполненных в виде дугообразно согнутых брусков, которые располагаются чередуясь по типу проводимости в шахматном порядке в ячейках кассеты 5, выполненной в виде полого цилиндра, в термоэлектрической генераторной батарее возникает электрический ток, который через токовводы (на фигурах не показаны) подводится к потребителю в установленном режиме.In this case, due to the Seebeck effect (the occurrence of an electromotive force in an electric circuit consisting of heterogeneous conductors connected in series, the contacts between which are at different temperatures), in a chain of semiconductor branches 1 connected in series with p- and n-type conductivities made in the form arcuate bent bars, which are arranged alternately in the form of conductivity in a checkerboard pattern in the cells of the cartridge 5, made in the form of a hollow cylinder, in a thermoelectric generator battery AET electric current which through current leads (not shown in the figures) is supplied to the consumer in the prescribed mode.

Из вышесказанного очевидны следующие преимущества предлагаемой термоэлектрической генераторной батареи радиально-кольцевого типа:From the foregoing, the following advantages of the proposed thermoelectric generator battery radial ring type:

- конструкция обладает высокой надежностью, механической прочностью и трещиностойкостью конструкции, позволяющими обеспечить длительный ресурс безаварийной работы, за счет наличия барьерного слоя, обеспечивающего повышение адгезии и предотвращение диффузии материала основного коммутационного слоя, а также за счет применения упрочняющей конструкцию кассеты, выполненной из конструкционного электро- и теплоизоляционного материала;- the design has high reliability, mechanical strength and crack resistance of the structure, allowing to ensure a long life of trouble-free operation, due to the presence of a barrier layer that provides increased adhesion and prevents diffusion of the material of the main switching layer, as well as through the use of a reinforcing cassette made of structural electrical and heat-insulating material;

- высокая технологичность конструкции позволяет исключить в процессе изготовления батареи операции припресовки коммутационных слоев и сборки пайкой, что одновременно повышает экологичность процесса;- high technological design allows to exclude during the manufacturing process of the battery the operation of pressing the switching layers and assembly by soldering, which simultaneously increases the environmental friendliness of the process;

- батарея имеет увеличенный диапазон рабочих температур и высокую термостойкость ограниченную лишь возможностями полупроводникового материала ветвей;- the battery has an increased range of operating temperatures and high heat resistance limited only by the capabilities of the semiconductor material of the branches;

- ТГБ обладает повышенными электрофизическими выходными параметрами за счет снижения паразитных тепловых сопротивлений на теплопереходах и увеличения диапазона рабочих температур.- The TGB has increased electrophysical output parameters due to the reduction of spurious thermal resistances at heat transitions and an increase in the range of operating temperatures.

Список литераторы:List of writers:

1. Охотин, А.С. Термоэлектрические генераторы. / А.С.Охотин, А.А.Ефремов, B.C.Охотин, А.С.Пушкарский.; под ред. А.П.Регеля - М.: Атомиздат. 1971 г. - 288 с.1. Okhotin, A.S. Thermoelectric generators. / A.S. Okhotin, A.A. Efremov, B.C. Okhotin, A.S. Pushkarsky .; under the editorship of A.P. Regel - M .: Atomizdat. 1971 - 288 p.

2. Патент РФ на полезную модель №93584, Мкл. Н01L 35/00, опубл.27.04.20102. RF patent for utility model No. 93584, Mcl. H01L 35/00, publ. April 27, 2010

3. Патент РФ на полезную модель №51287, Мкл. Н01L 35/28, опубл.27.01.20063. RF patent for utility model No. 51287, Mcl. H01L 35/28, publ. January 27, 2006

Claims (4)

1. Термоэлектрическая генераторная батарея, содержащая термомодули с множеством полупроводниковых пар ветвей n- и p-типов проводимости, каждая из которых имеет форму дугообразно согнутых брусков, коммутирующие элементы термомодулей, внешнюю и внутреннюю трубчатые оболочки и токовводы, отличающаяся тем, что содержит кассету, выполненную из конструкционного изоляционного материала в виде полого цилиндра, в ячейки которой в шахматном порядке, чередуясь по типу проводимости, помещены полупроводниковые ветви; коммутирующие элементы термомодулей, соединяющие указанные полупроводниковые ветви электрически в батарею, представляют собой внешний и внутренний коммутационные слои, включающие основной коммутационный слой и барьерный слой, нанесенный непосредственно на полупроводниковые ветви в одном цикле напыления с основным коммутационным слоем; внутренняя трубчатая оболочка, выполняющая роль теплоприемника, расположена внутри кассеты и выполнена из теплопроводного металла, наружная поверхность которого снабжена электроизоляционным теплопроводным покрытием, а внешняя трубчатая оболочка нанесена непосредственно на наружную поверхность внешнего коммутационного слоя батареи и выполнена в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия.1. Thermoelectric generator battery containing thermomodules with many semiconductor pairs of branches of n- and p-types of conductivity, each of which has the form of arched bent bars, switching elements of thermomodules, external and internal tubular shells and current leads, characterized in that it contains a cassette made from structural insulating material in the form of a hollow cylinder, in the cells of which in a checkerboard pattern, alternating in the type of conductivity, semiconductor branches are placed; the switching elements of thermal modules connecting these semiconductor branches electrically to the battery are the external and internal switching layers, including the main switching layer and the barrier layer deposited directly on the semiconductor branches in one spraying cycle with the main switching layer; the inner tubular shell, which acts as a heat sink, is located inside the cartridge and is made of heat-conducting metal, the outer surface of which is provided with an insulating heat-conducting coating, and the outer tubular shell is applied directly to the outer surface of the external switching layer of the battery and is made in the form of an insulating heat-conducting coating. 2. Термоэлектрическая генераторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что покрытие наружной поверхности внутренней трубчатой оболочки и внешняя трубчатая оболочка батареи выполнены в виде электроизоляционного теплопроводного покрытия, например, из электрокорунда (Al₂O₃), нитрида алюминия (AlN), оксида бериллия (BeO) и т.п., нанесенного методами напыления или электрохимического оксидирования.2. The thermoelectric generator battery according to claim 1, characterized in that the coating of the outer surface of the inner tubular shell and the outer tubular shell of the battery are made in the form of an insulating heat-conducting coating, for example, of aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ), aluminum nitride (AlN), oxide beryllium (BeO), etc., deposited by spraying or electrochemical oxidation. 3. Термоэлектрическая генераторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что основной коммутационный слой выполнен из металла с высокой электропроводностью, например из серебра, меди, алюминия, никеля и/или из их сплавов.3. The thermoelectric generator battery according to claim 1, characterized in that the main switching layer is made of metal with high electrical conductivity, for example silver, copper, aluminum, nickel and / or their alloys. 4. Термоэлектрическая генераторная батарея по п.1, отличающаяся тем, что барьерный слой выполнен из ряда металлов: ванадий, никель, сурьма, молибден, кобальт, хром и/или из их сплавов.

4. The thermoelectric generator battery according to claim 1, characterized in that the barrier layer is made of a number of metals: vanadium, nickel, antimony, molybdenum, cobalt, chromium and / or their alloys.

Images