Термоэлектрический двигатель


Термоэлектрический двигатель и сервомеханизм на его основе

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения. Термоэлектрический двигатель содержит термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом. Герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации. Герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров. Сервомеханизм на основе нескольких термоэлектрических двигателей содержит герметичную терморегулирующую емкость, сообщающуюся с буферными емкостями двигателей, терморегулирующая емкость сервомеханизма оборудована устройством регулирования внутренней температуры емкости. Использование изобретения позволит повысить мощность и увеличить рабочий интервал перемещения подвижной поверхности двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения.

Известен термоэлектрический двигатель, содержащий термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации (см. патент RU 2302072, H02N 10/00, 2007).

Привод работает следующим образом. При необходимости перемещения подвижной платформы дается импульс питания термоэлектрического модуля той полярности, которая соответствует направлению движения. Термоэлектрический модуль с одного направления нагревает воздух одной сильфонной коробки, а с другого направления, соответственно, охлаждает воздух другой сильфонной коробки (перекачивает тепловую энергию из одной сильфонной коробки в другую), что приводит к деформациям сильфонных коробок и соответствующему перемещению подвижной платформы в нужном направлении.

Это техническое решение по выполняемой функции и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному по выполняемым функциям и достигаемому результату. Оно принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявленного термоэлектрического двигателя.

Недостатком прототипа является малый диапазон изменения давлений при перекачивании тепловой энергии из одной сильфонной коробки в другую, быстрое увеличение разницы температур между коробками, а следовательно, снижение КПД термоэлектрического модуля, следствием чего являются слабая мощность и малый рабочий интервал перемещения подвижной поверхности двигателя. Недостатком данного двигателя является также сложность формирования на его основе сервомеханизмов различного назначения.

Настоящее изобретение по п.1 направлено на устранение этих недостатков и решает техническую задачу повышения мощности и увеличения рабочего интервала перемещения подвижной поверхности двигателя.

Для решения этой технической задачи в термоэлектрическом двигателе, содержащем термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации, согласно изобретению герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров.

В качестве рабочей емкости, способной к обратимой деформации, предпочтительно применена сильфонная коробка.

Внутренние поверхности емкостей, имеющие тепловой контакт с термоэлектрическим модулем, предпочтительно покрыты теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, хорошо смачивающимся жидким рабочим телом.

Рабочая емкость предпочтительно содержит подпружинивающий элемент, поддерживающий давление паров рабочего тела внутри нее, отличающееся от давления внешней среды.

В качестве рабочего тела, находящегося внутри буферной и рабочей емкостей, применены сжижающиеся газы, например фреоны, хладоны, углекислый газ, углеводородные газы, или легкокипящие жидкости, например эфиры, спирты, вода и их смеси.

Рабочее тело, находящееся внутри рабочей емкости, может отличаться по своему составу от рабочего тела, находящегося в буферной емкости. Предпочтительно в качестве рабочего тела рабочей емкости применяют сжижающийся газ с высоким рабочим давлением (давлением при рабочей температуре двигателя), а в качестве рабочего тела буферной емкости применяют сжижающийся газ с низким рабочим давлением или легкокипящую жидкость.

На основе данных двигателей может быть создан сервомеханизм с большим числом степеней свободы передвижения рабочего конца манипулятора, содержащий несколько сопряженных двигателей, перемещающих друг друга и рабочий конец манипулятора.

Ближайшим аналогом заявленного сервомеханизма является сервомеханизм, известный из а.с. SU 434195, F15B 9/03, 1974.

Техническим результатом изобретения по п.8 является повышение эффективности работы отдельных двигателей.

Сервомеханизм согласно изобретению содержит несколько термоэлектрических двигателей по п.1, причем буферные емкости двигателей сообщаются друг с другом и с герметичной терморегулирующей емкостью сервомеханизма, которая снабжена устройством регулирования внутренней температуры емкости.

В качестве устройства регулирования температуры емкости могут быть применены холодильная установка, тепловой насос, резистивный нагреватель и т.п.

Сервомеханизм содержит устройство для подачи жидкого рабочего тела из терморегулирующей емкости сервомеханизма в буферные емкости двигателей и/или для возврата жидкого рабочего тела из буферных емкостей двигателей в терморегулирующую емкость сервомеханизма.

Сервомеханизм предпочтительно содержит устройство для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из рабочего тела, содержащегося в терморегулирующей емкости.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

При работе данного двигателя основная часть перекачиваемой термоэлектрическим модулем тепловой энергии идет на изменение давления внутри буферной и рабочей емкостей за счет изменения агрегатного состояния рабочего тела, и лишь небольшая доля перекачиваемой энергии идет на изменение температуры внутри емкостей. Малая разница температур между рабочими поверхностями термоэлектрического модуля позволит ему работать с высоким коэффициентом полезного действия в широком диапазоне нагрузок, так как при уменьшении разницы температур между спаями термоэлектрического модуля его холодильный коэффициент стремится к бесконечности.

В случае применения нескольких двигателей в составе сервомеханизма сообщение буферных емкостей друг с другом и с терморегулирующей емкостью сервомеханизма позволит дополнительно сгладить изменения давления и температуры в буферных емкостях либо за счет взаимной компенсации давлений при разнонаправленной работе двигателей, либо за счет регулирования температуры внутри терморегулирующей емкости, и, соответственно, внутри всех буферных емкостей, при однонаправленной работе двигателей.

Использование сжижающегося газа с высоким рабочим давлением в качестве рабочего тела рабочих емкостей позволит обеспечить высокую мощность двигателя при небольших размерах рабочих емкостей, а использование сжижающегося газа с низким рабочим давлением или легкокипящей жидкости в качестве рабочего тела буферных емкостей позволит снизить потери рабочего тела через неплотности системы, соединяющей буферные емкости друг с другом и с терморегулирующей емкостью сервомеханизма.

При использовании в качестве рабочего тела легкокипящей жидкости внутри системы сообщающихся буферных емкостей поддерживается разрежение и в систему возможен подсос атмосферного воздуха, ухудшающий ее работу. Включение в состав сервомеханизма устройства для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из терморегулирующей емкости позволит поддерживать содержание посторонних газов в рабочем теле на допустимом уровне.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана конфигурация двигателя в режиме передачи теплоты из буферной емкости в рабочую емкость; на фиг.2 показана конфигурация двигателя в режиме передачи теплоты из рабочей емкости в буферную емкость; на фиг.3 показана конструкция двигателя в разрезе; на фиг.4 показана конструкция одного из вариантов сервомеханизма.

Конструкция двигателя состоит из буферной емкости 1, термоэлектрического модуля 2 и рабочей емкости 3. Буферная емкость 1 содержит жесткую герметичную оболочку 4, плотно прилегающую к ней прослойку из капиллярно-пористого материала 5, жидкое рабочее тело 6 и пары рабочего тела 7. Рабочая емкость содержит способную к обратимой деформации герметичную оболочку 8, плотно прилегающую к ней прослойку из капиллярно-пористого материала 9, пружину 10, жидкое рабочее тело 11 и пары рабочего тела 12.

Конструкция сервомеханизма содержит буферные емкости 1, термоэлектрические модули 2, рабочие емкости 3, терморегулирующее устройство 13, терморегулирующую емкость 14, насос 15, систему паровых трубопроводов 16, систему жидкостных трубопроводов 17.

Работа двигателя осуществлена следующим образом.

На этапе нагрева рабочей емкости термоэлектрический модуль 2 перекачивает теплоту от стенок буферной емкости 1 к стенкам рабочей емкости 3. Пары рабочего тела 7, находящиеся внутри буферной емкости 1, конденсируются на капиллярно-пористом материале 5, соприкасающемся с охлаждаемыми стенками буферной емкости, передавая через капиллярно-пористый материал и стенки буферной емкости теплоту конденсации термоэлектрическому модулю. Давление паров рабочего тела внутри буферной емкости при этом снижается.

Термоэлектрический модуль, получая теплоту от стенок буферной емкости, передает ее стенкам рабочей емкости. Жидкое рабочее тело 11, смачивающее капиллярно-пористый материал 9, облицовывающий нагреваемые стенки рабочей емкости, под действием поступившей теплоты испаряется, повышая давление паров рабочего тела 12 внутри рабочей емкости. При повышении давления рабочая емкость деформируется и принимает форму, показанную на фиг.1, совершая работу против действия пружины 10 и против внешней силы, если таковая имеется.

На этапе охлаждения рабочей емкости термоэлектрический модуль 2 перекачивает теплоту от стенок рабочей емкости 3 к стенкам буферной емкости 1. Пары рабочего тела 12, находящиеся внутри рабочей емкости, конденсируются на капиллярно-пористом материале 9, соприкасающемся с охлаждаемыми стенками рабочей емкости, передавая через капиллярно-пористый материал и стенки рабочей емкости теплоту конденсации термоэлектрическому модулю. Давление паров рабочего тела внутри рабочей емкости при этом снижается. При снижении давления пружина 10 сжимает рабочую емкость, в результате она деформируется и принимает форму, показанную на фиг.2, совершая работу против внешней силы, если таковая имеется.

Термоэлектрический модуль, получая теплоту от стенок рабочей емкости, передает ее стенкам буферной емкости. Жидкое рабочее тело 6, смачивающее капиллярно-пористый материал 5, облицовывающий нагреваемые стенки буферной емкости, под действием поступившей теплоты испаряется, повышая давление паров рабочего тела 7 внутри буферной емкости.

В сервомеханизме, объединяющем несколько двигателей, пары рабочего тела из одной буферной емкости 1 могут перемещаться по системе паровых трубопроводов 16 в другие буферные емкости или в терморегулирующую емкость 14 либо обратно, в зависимости от тепловой нагрузки, создаваемой термоэлектрическими модулями 2. При этом в отдельных буферных емкостях может происходить изменение фазового состава рабочего тела - пересыхание или, наоборот, переполнение буферных емкостей. С целью не допустить пересыхания капиллярно-пористого материала в отдельных буферных емкостях 1 (или их переполнения жидкостью) предусмотрен насос 15, периодически подающий жидкое рабочее тело по системе жидкостных трубопроводов 17 во все буферные емкости 1, с последующим удалением избытка жидкого рабочего тела из буферных емкостей обратно в терморегулирующую емкость 14.

При однонаправленной работе всех двигателей сервомеханизма разность температур между всеми рабочими и всеми буферными емкостями может оказаться значительной, в результате КПД термоэлектрических модулей снизится. Для облегчения работы термоэлектрических модулей 2 предусмотрено терморегулирующее устройство 13, повышающее или понижающее температуру в системе сообщающихся емкостей путем регулирования температуры рабочего тела в терморегулирующей емкости 14.

Терморегулирующее устройство 13 повышает температуру в системе путем нагрева и испарения жидкого рабочего тела в терморегулирующей емкости 14. Образующиеся пары рабочего тела за счет образовавшегося перепада давлений перемещаются по системе паровых трубопроводов 16 в буферные емкости 1 двигателей, в которых конденсируются, передавая теплоту конденсации стенкам емкостей и повышая в них температуру.

Терморегулирующее устройство 13 понижает температуру в системе путем охлаждения и конденсации паров рабочего тела в терморегулирующей емкости 14. Пары рабочего тела из буферных емкостей 1 двигателей за счет образовавшегося перепада давлений перемещаются по системе паровых трубопроводов 16 в терморегулирующую емкость 14. Под действием пониженного давления паров в буферных емкостях 1 находящееся в них жидкое рабочее тело частично испаряется, отбирая теплоту испарения от стенок буферной емкости и понижая в ней температуру.

1. Термоэлектрический двигатель, содержащий термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации, отличающийся тем, что герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров.

2. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренние поверхности емкостей, имеющие тепловой контакт с термоэлектрическим модулем, покрыты теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, хорошо смачивающимся жидким рабочим телом.

3. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая емкость содержит подпружинивающий элемент, поддерживающий давление паров рабочего тела внутри нее, отличающееся от давления внешней среды.

4. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая емкость выполнена в виде сильфонной коробки.

5. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применены сжижающиеся газы или легкокипящие жидкости.

6. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело, находящееся внутри рабочей емкости, отличается по своему составу от рабочего тела, находящегося в буферной емкости.

7. Термоэлектрический двигатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела рабочей емкости применен сжижающийся газ с высоким рабочим давлением, а в качестве рабочего тела буферной емкости применен сжижающийся газ с низким рабочим давлением или легкокипящая жидкость.

8. Сервомеханизм, отличающийся тем, что содержит несколько термоэлектрических двигателей по п.1, причем буферные емкости двигателей сообщаются друг с другом и с герметичной терморегулирующей емкостью сервомеханизма, которая снабжена устройством регулирования внутренней температуры емкости.

9. Сервомеханизм по п.8, отличающийся тем, что он содержит устройство для подачи жидкого рабочего тела из терморегулирующей емкости сервомеханизма в буферные емкости двигателей и/или для возврата жидкого рабочего тела из буферных емкостей двигателей в терморегулирующую емкость сервомеханизма.

10. Сервомеханизм по п.8, отличающийся тем, что он содержит устройство для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из рабочего тела, находящегося в терморегулирующей емкости.

www.findpatent.ru

термоэлектрический двигатель и сервомеханизм на его основе - патент РФ 2352813

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения. Термоэлектрический двигатель содержит термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом. Герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации. Герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров. Сервомеханизм на основе нескольких термоэлектрических двигателей содержит герметичную терморегулирующую емкость, сообщающуюся с буферными емкостями двигателей, терморегулирующая емкость сервомеханизма оборудована устройством регулирования внутренней температуры емкости. Использование изобретения позволит повысить мощность и увеличить рабочий интервал перемещения подвижной поверхности двигателя. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2352813

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве привода для перемещения рабочих органов исполнительных механизмов, применяемых в точном машиностроении, приборостроении, робототехнике, в частности может быть использовано для создания сервомеханизмов различного назначения.

Известен термоэлектрический двигатель, содержащий термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации (см. патент RU 2302072, H02N 10/00, 2007).

Привод работает следующим образом. При необходимости перемещения подвижной платформы дается импульс питания термоэлектрического модуля той полярности, которая соответствует направлению движения. Термоэлектрический модуль с одного направления нагревает воздух одной сильфонной коробки, а с другого направления, соответственно, охлаждает воздух другой сильфонной коробки (перекачивает тепловую энергию из одной сильфонной коробки в другую), что приводит к деформациям сильфонных коробок и соответствующему перемещению подвижной платформы в нужном направлении.

Это техническое решение по выполняемой функции и достигаемому результату является наиболее близким к заявленному по выполняемым функциям и достигаемому результату. Оно принято в качестве ближайшего аналога (прототипа) заявленного термоэлектрического двигателя.

Недостатком прототипа является малый диапазон изменения давлений при перекачивании тепловой энергии из одной сильфонной коробки в другую, быстрое увеличение разницы температур между коробками, а следовательно, снижение КПД термоэлектрического модуля, следствием чего являются слабая мощность и малый рабочий интервал перемещения подвижной поверхности двигателя. Недостатком данного двигателя является также сложность формирования на его основе сервомеханизмов различного назначения.

Настоящее изобретение по п.1 направлено на устранение этих недостатков и решает техническую задачу повышения мощности и увеличения рабочего интервала перемещения подвижной поверхности двигателя.

Для решения этой технической задачи в термоэлектрическом двигателе, содержащем термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации, согласно изобретению герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров.

В качестве рабочей емкости, способной к обратимой деформации, предпочтительно применена сильфонная коробка.

Внутренние поверхности емкостей, имеющие тепловой контакт с термоэлектрическим модулем, предпочтительно покрыты теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, хорошо смачивающимся жидким рабочим телом.

Рабочая емкость предпочтительно содержит подпружинивающий элемент, поддерживающий давление паров рабочего тела внутри нее, отличающееся от давления внешней среды.

В качестве рабочего тела, находящегося внутри буферной и рабочей емкостей, применены сжижающиеся газы, например фреоны, хладоны, углекислый газ, углеводородные газы, или легкокипящие жидкости, например эфиры, спирты, вода и их смеси.

Рабочее тело, находящееся внутри рабочей емкости, может отличаться по своему составу от рабочего тела, находящегося в буферной емкости. Предпочтительно в качестве рабочего тела рабочей емкости применяют сжижающийся газ с высоким рабочим давлением (давлением при рабочей температуре двигателя), а в качестве рабочего тела буферной емкости применяют сжижающийся газ с низким рабочим давлением или легкокипящую жидкость.

На основе данных двигателей может быть создан сервомеханизм с большим числом степеней свободы передвижения рабочего конца манипулятора, содержащий несколько сопряженных двигателей, перемещающих друг друга и рабочий конец манипулятора.

Ближайшим аналогом заявленного сервомеханизма является сервомеханизм, известный из а.с. SU 434195, F15B 9/03, 1974.

Техническим результатом изобретения по п.8 является повышение эффективности работы отдельных двигателей.

Сервомеханизм согласно изобретению содержит несколько термоэлектрических двигателей по п.1, причем буферные емкости двигателей сообщаются друг с другом и с герметичной терморегулирующей емкостью сервомеханизма, которая снабжена устройством регулирования внутренней температуры емкости.

В качестве устройства регулирования температуры емкости могут быть применены холодильная установка, тепловой насос, резистивный нагреватель и т.п.

Сервомеханизм содержит устройство для подачи жидкого рабочего тела из терморегулирующей емкости сервомеханизма в буферные емкости двигателей и/или для возврата жидкого рабочего тела из буферных емкостей двигателей в терморегулирующую емкость сервомеханизма.

Сервомеханизм предпочтительно содержит устройство для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из рабочего тела, содержащегося в терморегулирующей емкости.

Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.

При работе данного двигателя основная часть перекачиваемой термоэлектрическим модулем тепловой энергии идет на изменение давления внутри буферной и рабочей емкостей за счет изменения агрегатного состояния рабочего тела, и лишь небольшая доля перекачиваемой энергии идет на изменение температуры внутри емкостей. Малая разница температур между рабочими поверхностями термоэлектрического модуля позволит ему работать с высоким коэффициентом полезного действия в широком диапазоне нагрузок, так как при уменьшении разницы температур между спаями термоэлектрического модуля его холодильный коэффициент стремится к бесконечности.

В случае применения нескольких двигателей в составе сервомеханизма сообщение буферных емкостей друг с другом и с терморегулирующей емкостью сервомеханизма позволит дополнительно сгладить изменения давления и температуры в буферных емкостях либо за счет взаимной компенсации давлений при разнонаправленной работе двигателей, либо за счет регулирования температуры внутри терморегулирующей емкости, и, соответственно, внутри всех буферных емкостей, при однонаправленной работе двигателей.

Использование сжижающегося газа с высоким рабочим давлением в качестве рабочего тела рабочих емкостей позволит обеспечить высокую мощность двигателя при небольших размерах рабочих емкостей, а использование сжижающегося газа с низким рабочим давлением или легкокипящей жидкости в качестве рабочего тела буферных емкостей позволит снизить потери рабочего тела через неплотности системы, соединяющей буферные емкости друг с другом и с терморегулирующей емкостью сервомеханизма.

При использовании в качестве рабочего тела легкокипящей жидкости внутри системы сообщающихся буферных емкостей поддерживается разрежение и в систему возможен подсос атмосферного воздуха, ухудшающий ее работу. Включение в состав сервомеханизма устройства для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из терморегулирующей емкости позволит поддерживать содержание посторонних газов в рабочем теле на допустимом уровне.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 показана конфигурация двигателя в режиме передачи теплоты из буферной емкости в рабочую емкость; на фиг.2 показана конфигурация двигателя в режиме передачи теплоты из рабочей емкости в буферную емкость; на фиг.3 показана конструкция двигателя в разрезе; на фиг.4 показана конструкция одного из вариантов сервомеханизма.

Конструкция двигателя состоит из буферной емкости 1, термоэлектрического модуля 2 и рабочей емкости 3. Буферная емкость 1 содержит жесткую герметичную оболочку 4, плотно прилегающую к ней прослойку из капиллярно-пористого материала 5, жидкое рабочее тело 6 и пары рабочего тела 7. Рабочая емкость содержит способную к обратимой деформации герметичную оболочку 8, плотно прилегающую к ней прослойку из капиллярно-пористого материала 9, пружину 10, жидкое рабочее тело 11 и пары рабочего тела 12.

Конструкция сервомеханизма содержит буферные емкости 1, термоэлектрические модули 2, рабочие емкости 3, терморегулирующее устройство 13, терморегулирующую емкость 14, насос 15, систему паровых трубопроводов 16, систему жидкостных трубопроводов 17.

Работа двигателя осуществлена следующим образом.

На этапе нагрева рабочей емкости термоэлектрический модуль 2 перекачивает теплоту от стенок буферной емкости 1 к стенкам рабочей емкости 3. Пары рабочего тела 7, находящиеся внутри буферной емкости 1, конденсируются на капиллярно-пористом материале 5, соприкасающемся с охлаждаемыми стенками буферной емкости, передавая через капиллярно-пористый материал и стенки буферной емкости теплоту конденсации термоэлектрическому модулю. Давление паров рабочего тела внутри буферной емкости при этом снижается.

Термоэлектрический модуль, получая теплоту от стенок буферной емкости, передает ее стенкам рабочей емкости. Жидкое рабочее тело 11, смачивающее капиллярно-пористый материал 9, облицовывающий нагреваемые стенки рабочей емкости, под действием поступившей теплоты испаряется, повышая давление паров рабочего тела 12 внутри рабочей емкости. При повышении давления рабочая емкость деформируется и принимает форму, показанную на фиг.1, совершая работу против действия пружины 10 и против внешней силы, если таковая имеется.

На этапе охлаждения рабочей емкости термоэлектрический модуль 2 перекачивает теплоту от стенок рабочей емкости 3 к стенкам буферной емкости 1. Пары рабочего тела 12, находящиеся внутри рабочей емкости, конденсируются на капиллярно-пористом материале 9, соприкасающемся с охлаждаемыми стенками рабочей емкости, передавая через капиллярно-пористый материал и стенки рабочей емкости теплоту конденсации термоэлектрическому модулю. Давление паров рабочего тела внутри рабочей емкости при этом снижается. При снижении давления пружина 10 сжимает рабочую емкость, в результате она деформируется и принимает форму, показанную на фиг.2, совершая работу против внешней силы, если таковая имеется.

Термоэлектрический модуль, получая теплоту от стенок рабочей емкости, передает ее стенкам буферной емкости. Жидкое рабочее тело 6, смачивающее капиллярно-пористый материал 5, облицовывающий нагреваемые стенки буферной емкости, под действием поступившей теплоты испаряется, повышая давление паров рабочего тела 7 внутри буферной емкости.

В сервомеханизме, объединяющем несколько двигателей, пары рабочего тела из одной буферной емкости 1 могут перемещаться по системе паровых трубопроводов 16 в другие буферные емкости или в терморегулирующую емкость 14 либо обратно, в зависимости от тепловой нагрузки, создаваемой термоэлектрическими модулями 2. При этом в отдельных буферных емкостях может происходить изменение фазового состава рабочего тела - пересыхание или, наоборот, переполнение буферных емкостей. С целью не допустить пересыхания капиллярно-пористого материала в отдельных буферных емкостях 1 (или их переполнения жидкостью) предусмотрен насос 15, периодически подающий жидкое рабочее тело по системе жидкостных трубопроводов 17 во все буферные емкости 1, с последующим удалением избытка жидкого рабочего тела из буферных емкостей обратно в терморегулирующую емкость 14.

При однонаправленной работе всех двигателей сервомеханизма разность температур между всеми рабочими и всеми буферными емкостями может оказаться значительной, в результате КПД термоэлектрических модулей снизится. Для облегчения работы термоэлектрических модулей 2 предусмотрено терморегулирующее устройство 13, повышающее или понижающее температуру в системе сообщающихся емкостей путем регулирования температуры рабочего тела в терморегулирующей емкости 14.

Терморегулирующее устройство 13 повышает температуру в системе путем нагрева и испарения жидкого рабочего тела в терморегулирующей емкости 14. Образующиеся пары рабочего тела за счет образовавшегося перепада давлений перемещаются по системе паровых трубопроводов 16 в буферные емкости 1 двигателей, в которых конденсируются, передавая теплоту конденсации стенкам емкостей и повышая в них температуру.

Терморегулирующее устройство 13 понижает температуру в системе путем охлаждения и конденсации паров рабочего тела в терморегулирующей емкости 14. Пары рабочего тела из буферных емкостей 1 двигателей за счет образовавшегося перепада давлений перемещаются по системе паровых трубопроводов 16 в терморегулирующую емкость 14. Под действием пониженного давления паров в буферных емкостях 1 находящееся в них жидкое рабочее тело частично испаряется, отбирая теплоту испарения от стенок буферной емкости и понижая в ней температуру.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Термоэлектрический двигатель, содержащий термоэлектрический модуль, сопряженный рабочими поверхностями с герметичными емкостями, заполненными рабочим телом, причем герметичная емкость, расположенная с одной стороны модуля, выполнена в виде рабочей емкости, способной к обратимой деформации, отличающийся тем, что герметичная емкость, расположенная с другой стороны модуля, выполнена в виде буферной емкости, имеющей жесткую конфигурацию, а внутренние полости емкостей заполнены рабочим телом в виде жидкости и ее паров.

2. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что внутренние поверхности емкостей, имеющие тепловой контакт с термоэлектрическим модулем, покрыты теплопроводящим капиллярно-пористым материалом, хорошо смачивающимся жидким рабочим телом.

3. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая емкость содержит подпружинивающий элемент, поддерживающий давление паров рабочего тела внутри нее, отличающееся от давления внешней среды.

4. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочая емкость выполнена в виде сильфонной коробки.

5. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела применены сжижающиеся газы или легкокипящие жидкости.

6. Термоэлектрический двигатель по п.1, отличающийся тем, что рабочее тело, находящееся внутри рабочей емкости, отличается по своему составу от рабочего тела, находящегося в буферной емкости.

7. Термоэлектрический двигатель по п.6, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела рабочей емкости применен сжижающийся газ с высоким рабочим давлением, а в качестве рабочего тела буферной емкости применен сжижающийся газ с низким рабочим давлением или легкокипящая жидкость.

8. Сервомеханизм, отличающийся тем, что содержит несколько термоэлектрических двигателей по п.1, причем буферные емкости двигателей сообщаются друг с другом и с герметичной терморегулирующей емкостью сервомеханизма, которая снабжена устройством регулирования внутренней температуры емкости.

9. Сервомеханизм по п.8, отличающийся тем, что он содержит устройство для подачи жидкого рабочего тела из терморегулирующей емкости сервомеханизма в буферные емкости двигателей и/или для возврата жидкого рабочего тела из буферных емкостей двигателей в терморегулирующую емкость сервомеханизма.

10. Сервомеханизм по п.8, отличающийся тем, что он содержит устройство для удаления посторонних (неконденсирующихся) газов из рабочего тела, находящегося в терморегулирующей емкости.

www.freepatent.ru

Термоэлектрический двигатель для малых и сверхмалых космических аппаратов

Термоэлектрический двигатель для малых и сверхмалых космических аппаратов

авторы: Павлов А. М., Попов А. С.

УДК 629.7.036.7

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

www-sm2@yandex.ru

pavlov_arseniy@mail.ru

 

В настоящее время, в мире заметно увеличивается число запусков малых космических аппаратов (МКА) массой до 100 кг. Одной из основных причин данного роста являются относительно небольшие сроки разработки спутника, стоимость его изготовления и запуска. При этом такие аппараты имеют возможность проведения на их базе различных экспериментов и исследований. Запуск этих спутников обычно проводится в составе крупных коммерческих, либо кластерных запусков вместе с другими МКА. В том числе, возможен, а также более предпочтителен в финансовом аспекте, запуск с борта Международной Космической Станции (МКС) или с последних ступеней ракет-носителей.

В случае запуска на орбиты высотой более 500…600 км, время существования МКА ограничивается, в основном, сроком службы аппаратуры, а возмущения траектории от воздействия атмосферы являются незначительными. Но при запуске на орбиты меньших высот, влияние атмосферы вносит существенные ограничения на срок службы МКА. Поэтому целесообразным является оборудование таких аппаратов двигательной установкой (ДУ), способной корректировать высоту и форму орбиты в необходимых пределах. Помимо этого, такую ДУ можно использовать для ориентации, сведения с орбиты и разгрузки маховиков МКА.

Основными требованиями, предъявляемыми к ДУ для МКА являются:

¾  надежность и простота конструкции;

¾   соответствие требованиям безопасности, в том числе возможность доставки на МКС для запуска спутника с ее борта. При этом ключевую роль может играть экологическая чистота компонентов топлива;

¾  обеспечение МКА требуемым запасом характеристической скорости;

¾  невысокое энергопотребление;

¾  низкая стоимость.

На сегодняшний день основными ДУ, используемыми в составе спутниковых систем являются: газоструйные, ионные и термоэлектрические (резистоджеты) ДУ, а также ДУ, использующие энергию химического разложения рабочего тела. Тем не менее, использование таких ДУ в составе МКА зачастую невозможно или сильно ограничено. В частности, низкая эффективность и высокий вес конструкции газоструйных двигателей; тяга, недостаточная для компенсации действия атмосферы ионных ДУ; нестабильность и токсичность топлив однокомпонентных двигателей делают применение данных типов ДУ в составе МКА нецелесообразным. Существующие резистоджеты нуждаются в подводимой мощности, величину которой весьма сложно обеспечить на борту МКА. Как правило, резистоджеты обладают сравнительно большой массой в связи с высоким давлением в системе подачи.

В результате анализа схем существующих ДУ, а также требований, предъявляемых для ДУ МКА, перечисленных выше, был предложен, и впоследствии спроектирован термоэлектрический двигатель, в качестве рабочего тела использующий пары различных жидкостей.

 

Конструкция двигателя

Принцип работы данного двигателя заключается в испарении рабочего тела на нагревательном элементе, и последующим его ускорением в сопле. На рис. 1изображена принципиальная схема ДУ.

Рис. 1. Принципиальная схема ДУ

 

Подача компонента осуществляется по вытеснительной схеме. В качестве резервуара предлагается использовать бак 1 (рис. 1) с эластичным мешком. Пространство между мешком и стенкой бака заполняется небольшим количеством диэтилового эфира, давление насыщенных паров которого позволяет осуществлять наддув бака. Благодаря невысокому давлению, обеспечивается низкая масса бака и его безопасность при эксплуатации. Также за счет небольшого нагрева стенок можно контролировать давление подачи, а соответственно и расход, и значение тяги. В табл. 1 представлена зависимость давления насыщенных паров диэтилового эфира, в зависимости от температуры по данным [2].

Таблица 1

T, С°

P,бар

10

0,388

20

0,586

40

1,228

50

1,701

60

2,311

 

Подача компонента контролируется с помощью электромагнитного клапана 2 (рис. 1). Стоит заметить, что при сравнительно малых перепадах давления (1..3 атм.) значительно снижается масса арматуры, по сравнению, например, с системой подачи газоструйных ДУ.

Отличительной особенностью предложенного двигателя является то, что испарение жидкости и разгон паров до звуковой скорости происходят в медной капиллярной трубке 3 (рис. 1), что позволяет совместить испарительную камеру с соплом и обеспечить эффективный прогрев жидкости. Нагрев трубки осуществляется за счет пропускания тока по нихромовой проволоке, намотанной на предварительно изолированную трубку (на рис. 1 область намотки проволоки условно показана черным цветом).

На конце трубки устанавливается сверхзвуковое сопло 4, для последующего ускорения потока. Стоит заметить, что благодаря малому проходному сечению трубки (диаметр менее 1 мм) можно достичь высоких степеней расширения рабочего тела, при этом габариты сопла будут приемлемых размеров в масштабе МКА.

 

Режим работы и термодинамика двигателя

Термодинамический процесс в двигателе описывается, как адиабатическое течение газа с трением в трубе постоянного сечения. Интегрирование уравнения Бернулли в дифференциальной форме (по материалам из [1]) позволяет, с помощью дальнейших элементарных преобразований получить зависимость (в неявной форме), позволяющую оценить возможность достижения скорости звука в трубе данной длины.

 

Здесь: P[Па] – давление, ρ [кг/м3] – плотность,  w[м/с] – скорость потока, u[м/с] – местная скорость звука, λ=w/u  – приведенная скорость потока, ζ=f(a) – коэффициент трения в трубе, a[мкм] – высота микронеровностей.

На рис. 2 изображена зависимость, полученная из уравнения (1), приведенной скорости потока λ в сечении, в котором начинается процесс ускорения газа в трубке, необходимой для достижения потоком, после прохода определенного расстояния (для данного графика  300 мм) местной скорости звука (λ=1) от высоты микронеровностей внутри трубки.

Рис. 2. Приведенная скорость потока в зависимости от высоты микронеровностей

 

Анализ данного графика и оценка начальной скорости потока жидкости указывают на теоретическую возможность достижения потоком местной скорости звука в трубках длиной несколько десятков сантиметров. В данной работе длина трубки экспериментального образца предложенного двигателя составляла 300 мм.

В качестве возможных рабочих тел рассматривались дистиллированная вода и этиловый спирт. Анализ эффективности использования паров данных жидкостей показал, что хотя вода имеет лучшие параметры расширения, разница в удельной теплоте парообразования (вода: 2,3 МДж/кг; спирт: 0,9 МДж/кг) делает использование спирта более энергоэффективным в термоэлектрических двигателях.

Удельный импульс для данного двигателя, определяемый по формуле (2), при использовании сверхзвукового сопла, может достигать значений Iуд=900…980 м/с при температуре газа 351 К, соответствующей кипению спирта, и начальном давлении 1 атм.

При этом Wa  [м/с]– скорость истечения газа определяется по формуле (3) для адиабатического течения

Здесь: Pк, Pа [Па] – исходное давление в трубке и давление на срезе сопла соответственно, R – газовая постоянная, Т [К] – температура газа, k – показатель адиабаты. В данной формуле возможно использование показателя адиабаты вместо показателя изоэнтропы, так как в двигателе происходит ускорение нереагирующего газа.

Особо стоит отметить возможность возникновения свободномолекулярного течения в сопле, вследствие высоких перепадов давления, что заметно ограничивает диапазон расширения газа. Оценка числа Кнудсена для характерных размеров сопла (10…30 мм) и предполагаемого диапазона перепадов давления (104…105) показала, что течение газа может описываться как движение сплошной среды (К~10-2).

Разрабатываемая ДУ может работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Выбор режима определяется требуемой тягой, продолжительностью импульса и располагаемой мощностью. Так, для трубки с проходным диаметром 0,3 мм и давлением подачи 1 атм. необходимо подвести мощность

где G [кг/с] – массовый расход, λ [Дж/кг] – удельная теплота парообразования.

Тяга при этом составит

Для бóльших диаметров трубки, расход, а следовательно и подводимая мощность будут расти, что, в случае нехватки мощности на борту приведет к необходимости включений в импульсном режиме с предварительным прогревом трубки. В данном случае продолжительность импульса будет зависеть от длины и исходной температуры нагрева трубки.

 

Отработка экспериментального образца

Для подтверждения работоспособности предложенной конструкции, а также для определения основных характеристик двигателя, был создан экспериментальный образец, в целом конструктивно повторяющий описанную выше схему. Отличием от данной схемы было отсутствие сверхзвукового насадка. Кроме того топливный бак 3 (рис. 3(а)) был выполнен без эластичного мешка и наддувался за счет остаточного в резервуаре давления (1 атм).

Капиллярная трубка с внешним диаметром 2.0 мм, внутренним диаметром 0,6 мм и длиной 300 мм нагревалась намотанной на нее нихромовой проволокой (рис 1), общим сопротивлением R≈10 Ом, подсоединенной к источнику постоянного тока с рабочим напряжением U=12 В. Расход контролировался электромагнитным клапаном. Нагрев трубки производился до температуры T=115…120 °C. Температура нагрева контролировалась датчиком температуры, закрепленным на трубке у  выходного штуцера клапана.

Запуски двигателя проводились в вакуумной камере со средним давлением откачки Р≈15 Па. Для измерения тяги использовалась схема изображенная на рис. 3(а,б)

Рис. 3(а)

Рис. 3(б)

 

Схема проведения эксперимента

 

Двигатель закреплялся на верхней стенке камеры при помощи проводов, подходящих к клапану 1 (рис 3(а)). В результате, при срабатывании двигателя, наблюдалось его отклонение, аналогичное отклонению математического маятника. Данное отклонение фиксировалось на видеокамеру и в дальнейшем обрабатывалось с помощью программы, алгоритм которой подробно описан в работе [3]. Для тарировки, к концу трубки 2 (рис. 3(а)) крепился калибровочный груз 4 (рис. 3(б)), подвешенный через блок, как показано на рис. 3(б).  По результатам обработки данных, для каждого пуска строился график зависимости отклонения двигателя (в условных единицах — пикселях) от времени, пример которого показан на рис. 4. На приведенном графике положение равновесия системы соответствует значению 2.3 px. После тарировки значения отклонения пересчитывались в единицы тяги.

Рис. 4. Отклонение

 

По результатам проведенных экспериментов были получены результаты, показанные в табл. 2.

Таблица 2

 

Теория

Эксперимент

Тяга, мН

36

35

Расход, г/с

0,076

Удельный импульс, м/с

491

460

 

Выводы

1.    Предложен малогабаритный термоэлектрический реактивный двигатель малой массы для МКА, в качестве рабочего тела использующий этиловый спирт.

2.    В ходе экспериментов подтверждена работоспособность системы и проведено сравнение расчетных и экспериментальных данных в области, ограниченной критическим перепадом давления, показавшее применимость теории адиабатического течения газа применительно к рассмотренной конструкции двигателя на базе капиллярной трубки.

 

Список литературы:

 

1. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. В 2 ч. М.: Наука, 1991. Ч. 1. 600 с.; Ч. 2. 304 с.

2. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука,  1972. 720 с.

3. Попов А.С., Тененбаум С.М. Экспериментальное определение коэффициента демпфирования светоотражающей поверхности солнечного паруса // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. № 10. С. 23-27.

technomag.bmstu.ru

Термоэлектрические вечные двигатели второго рода

Термоэлектрические вечные двигатели второго рода

 

Перейдем теперь к описанию экспериментов с различными реальными термоэлектрическими вечными двигателями второго рода. Термоэлектрический циркуляционный вечный двигатель второго рода ПД-14 выглядит значительно проще испарительного, ибо для его осуществления достаточно лишь соединить в цепь три или более разнородных проводников и измерить возникающую ЭДС. Однако исключительной простоте двигателя сопутствуют известные трудности, связанные с достаточно точными измерениями этой ЭДС. Суть проблемы заключается в том, что в настоящее время эфир перенасыщен электромагнитными излучениями, при этом провода, соединяющие ПД с измерительным прибором, например потенциометром типа Р348 с ценой деления 10-8 В или зеркальным гальванометром соответствующей чувствительности, играют роль антенны, а поверхность контакта проводников – роль детектора. В итоге цепь превращается в импровизированный детекторный радиоприемник, в ней наводится паразитный ток, фиксируемый прибором. Будем называть этот паразитный штатив-эффект детекторным, он может существенно исказить результаты экспериментов. На ЭДС способны влиять также излучения неэлектромагнитного происхождения [32].

Со всеми этими помехами можно успешно бороться лишь путем полной и совершенной изоляции ПД и всей измерительной схемы от окружающей среды, в частности с помощью заземленной герметичной металлической камеры или даже целой комнаты. Но и комната не гарантирует полной изоляции, например, от таких полей, как хрональное. В наших опытах все соединительные провода, клеммы и приборы экранированы и заземлены, двигатель ПД-14 помещен в заземленную калориметрическую бомбу с толщиной стенок 20 мм, внутренним диаметром 70...90 мм и высотой 70...210 мм. Бомба изготовлена из меди или стали, во втором случае исключается влияние магнитного поля, испытаны также экранирующие герметичные алюминиевые боксы. Этого, конечно, недостаточно для идеальной изоляции устройства, но полученные результаты позволяют сделать все необходимые качественные и количественные выводы. Это становится возможным благодаря применению целого комплекса различных ПД, при этом удается даже получить представление о величине посторонних наводок.

Проведены тысячи опытов, в них изучены самые различные материалы во всевозможных условиях, состояниях и сочетаниях – металлы, полупроводники и диэлектрики. Металлы использованы в виде кристаллов, пластин, фольги разной толщины, проволоки, напыленных в вакууме слоев и порошка, спеченного и свободно насыпанного; полупроводники – виде кристаллов, пластин, выращенных слоев, порошка и тех многочисленных модификаций, которые предусмотрены технологией электронной промышленности; диэлектрики – в виде конденсаторов. Условия всех опытов изотермические, температура комнатная или повышенная с помощью термостата, давление атмосферное или пониженное до значений (2...5)×10-5 мм рт. ст. Во всех случаях обнаружен предсказанный ОТ эффект возникновения нескомпенсированной ЭДС, которая вызывает незатухающую круговую циркуляцию электрического заряда и тем самым нарушает закон Вольта и второй закон термодинамики Клаузиуса. Результаты многих опытов кратко описаны в работах [32], но, к сожалению, в этих опытах не всегда удавалось должным образом избавиться от детекторного эффекта.

Здесь я ограничусь обсуждением лишь экспериментов с тщательно изолированными двигателями ПД-14, специально спланированными для подтверждения основных теоретических выводов гл. II. Испытанные двигатели состоят из трех и более металлов, образцам которых придана форма пластин толщиной около 3 мм, контакт между ними осуществляется с помощью особых зажимов, площадь контактов составляет 1...3 см2. Для возможности сравнения различных материалов в качестве двух неизменных проводников цепи использованы медь и алюминий, служащие эталонами. Пластины соединены между собой последовательно в соответствии со схемой:

Cu – X – Al – Cu ,

где Х – испытуемая или испытуемые пластины.

Из схемы видно, что медный проводник разорван, в разрыв включен измерительный прибор, который как бы играет роль звена 2, заключенного между звеньями 1 на рис.5, в. Правая медная пластина, контактирующая с алюминием, присоединена к положительной клемме прибора, левая, контактирующая с испытуемым материалом, - к отрицательной. Температура испытаний комнатная, условия изотермические, давление понижено до значений (2...5)×10-5 мм рт. ст. если используется атмосферное давление, то соответствующая ЭДС отмечается индексом «а» внизу. Помимо эталонных меди и алюминия в опытах фигурируют теллур, висмут и никель.

В таблицах 1 – 3 приведены значения нескомпенсированной ЭДС для цепи, составленной из двух и трех металлов, причем данные таблицы 2 относятся к атмосферным условиям.

Таблица 1.

Цепь V , мкВ
Cu – Al - Cu V2 = 0
Cu – Ni – Cu V2 = 0
Cu – Bi – Cu V2 = 0
Cu – Te - Cu V2 = - 0,70

 

Таблица 2.

Цепь V , мкВ
Cu – Ni - Al - Cu V3a = 0
Cu – Bi - Al – Cu V3a = 0
Cu – Te - Al – Cu V3a = - 0,60

 

Таблица 3.

Цепь V , мкВ
Cu – Ni - Al - Cu V3 =+ 0,03
Cu – Bi - Al – Cu V3 =+ 0,16
Cu – Te - Al – Cu V3 =- 4,15

 

Из таблицы 1 видно, что два металла дают либо нулевую, либо сравнительно небольшую ЭДС. Наличие этой ЭДС при двух металлах противоречит теории и объясняется действием паразитного детекторного эффекта. Сопоставление данных таблиц 1 и 3 говорит о том, что указанный штатив-эффект сравнительно невелик. Вместе с тем, надо полагать, он присутствует во всех экспериментах.

Обращает на себя внимание сильное влияние на величину ЭДС адсорбированных поверхностями металла газов. Эти газы образуют и сильно изменяют термодинамические свойства тех самых тончайших слоев х, в которых разыгрывается интересующая нас картина. В результате газы начинают играть роль проводников 1 на рис.5, в, и вследствие этого основной металл 2 из рассмотрения выпадает. Это хорошо видно из сравнения таблиц 2 и 3, где ЭДС на воздухе существенно ниже, чем в вакууме. После нескольких часов вакуумирования адсорбированные газы удаляются, срабатывает основной металл, ЭДС резко возрастает. Поэтому, чтобы избежать влияния газов, в опытах вакуумирование длится не менее двух суток.

Согласно теории, симметричное соединение должно исключить из игры те проводники, которые соприкасаются с одноименными материалами. Это косвенно подтверждается характером влияния адсорбированных газов – таблица 2. Более сложные случаи симметричного соединения проводников представлены в таблице 4.

 

Таблица 4.

Цепь V , мкВ
Cu – Bi – Te – Bi - Al - Cu V4 = - 3,97
Cu – Ni - Te – Ni - Al – Cu V4 = - 2,17
Cu - Ni – Bi – Te – Bi - Ni – Al - Cu V5 = - 2,99
Cu - Ni – Bi – Te – Ni – Al - Bi - Cu V5 = + 1,71

 

Здесь позиции 1 и 2 соответствуют схеме в на рис.5, а позиция 3 – схеме г на том же рисунке. В первых двух позициях из рассмотрения должен выпасть теллур, а в третьей – теллур и висмут. Но опыт не показывает ожидаемого полного выпадения указанных материалов и превращения четырех- и пятизвенных цепей в трехзвенную. Согласно опытным данным, ЭДС цепи, как и положено, несколько снижается по сравнению с ЭДС теллура, но не достигает тех значений, которые в таблице 3 соответствует трехзвенной цепи для висмута и никеля. Наблюдаемое недостаточно точное следование теории тоже можно объяснить влиянием внешних помех. В этом смысле теллур обладает ярко выраженными детекторными свойствами.

Пять металлов, присутствующих в позиции 3 таблицы 4, можно соединить по схеме рис.5, д. В этом случае все они вносят свой посильный вклад в ЭДС – таблица 4, позиция 4. Отсюда видно, какое большое влияние на ЭДС оказывает конкретное сочетание и чередование проводников в цепи. Аналогичная картина наблюдается при перестановке любых двух металлов, например, соответствующие данные для четырехзвенной цепи приведены в таблице 5.

 

Таблица 5.

Цепь V , мкВ
Cu – Bi – Te – Al - Cu V4 = - 2,10
Cu – Te – Bi - Al – Cu V4 = - 0,65

 

Особый интерес представляют цепи, в которых последовательно соединяются между собой целые блоки проводников (назовем их элементами) типа тех, которые приведены в таблице 3. Например, цепи таблицы 6 содержат по два таких элемента.

 

Таблица 6.

Цепь V , мкВ
Cu – Ni - Al – Cu - Ni – Al - Cu V3х2 = + 0,01
Cu – Bi - Al – Cu - Bi – Al - Cu V3х2 = + 0,10
Cu – Te - Al – Cu - Te – Al - Cu V3х2 = - 1,90

 

Из таблицы видно, что последовательное соединение двух одинаковых элементов не приводит к двукратному увеличению ЭДС цепи. Наоборот, фактическая суммарная ЭДС цепи оказывается почти вдвое ниже, чем ЭДС каждого из элементов, входящих в цепь. Это объясняется тем, что контактная ЭДС зависит не только от температуры, но и от потенциала (заряда) – уравнение (16). В результате соседние элементы гасят ЭДС друг друга. Это очень печально, ибо нельзя воспользоваться соблазнительной идеей без особых мудростей соединить между собой последовательно и параллельно большое множество – тысячи и миллионы – однотипных элементов и получить таким образом мощный термоэлектрический вечный двигатель второго рода, способный бесплатно питать различные полезные и бесполезные устройства.

Вместе с тем последовательное соединение двух разнородных элементов может иногда даже дать ЭДС, существенно превышающую сумму ЭДС отдельных элементов, входящих в цепь (таблица 7, позиция 1).

 

Таблица 7.

Цепь V , мкВ
Cu – Bi - Al – Cu - Te – Al - Cu V3+3 = - 10,34
Cu –( ) – Al – Cu V3+3 = + 0,04

 

Параллельное соединение одинаковых элементов практически не влияет на ЭДС цепи. Результат одного из примеров параллельного соединения разнородных элементов показан в таблице 7, позиция 2.

Из приведенных таблиц видно, что нескомпенсированная ЭДС, а следовательно, и развиваемая вечным двигателем второго рода ПД-14 мощность крайне малы, но они представляют собой вполне реальные величины, которые легко могут быть обнаружены с помощью несложной измерительной техники. При этом практически – с учетом наводок – подтверждаются все высказанные ранее теоретические прогнозы, касающиеся особенностей физического механизма работы двигателя, а также выясняются некоторые дополнительные тонкости обсуждаемого процесса.

Среди них надо прежде всего отметить исключительную чувствительность ПД-14 к электрической степени свободы, вследствие чего перестают работать законы Ома и Кирхгофа. Как известно, обычные полупроводники тоже не в ладах с этими законами. Менее чувствительны двигатели ПД-14 к вермической степени свободы (температуре). Слабо действует на них магнитное поле. Но некоторые другие степени свободы, например, хрональная, влияние оказывают. В связи с этим для ПД-14 сохраняют свою силу замечания, сделанные по поводу периодического изменения свойств БМ. В частности круглогодичные измерения показывают, что зимой ЭДС двигателя ПД-14 в два раза выше, чем летом, то же самое наблюдается у БМ. Отсюда можно сделать вывод о возможности использовать ПД-14 в качестве датчика для обнаружения хронального явления в парапсихологических опытах, на местах посадок НЛО и т.п.

На ЭДС двигателя сильно влияют конкретное сочетание и чередование проводников в цепи, важны также химический состав и структура металла и т.д. Например, висмут литой марки Ви1 (99,7% Bi) дает в элементе ЭДС V3= + 0,16 мкВ (таблица 3), висмут особой чистоты после зонного переплава (99,9998% Bi) дает V3= + 0,26 мкВ, висмут кристаллический марки Ви000 (99,999% Bi) дает V3= - 0,45 мкВ.

Геометрические характеристики пластин тоже отражаются на работе двигателя, на его ЭДС, особенно если иметь дело с крайними по размерам образцами. Например, картина резко изменяется, если речь идет об очень тонких напыленных слоях, соизмеримых с толщиной х (рис.5, б), или об очень малой площади поперечного сечения образца, когда начинает действовать эффект острия, усиливающий детекторный эффект. При очень большой толщине образца на нескомпенсированную ЭДС двигателя накладывается термоЭДС Зеебека из-за самопроизвольного возникновения разностей температур между спаями. Эти разности способны появляться в строго изотермических условиях: циркулирующий в замкнутой цепи ток приводит к выделению теплоты Пельтье в одних спаях и поглощению в других. На большой толщине – длине пути – эта теплота не успевает перераспределиться между спаями, в результате образуются разности температур и термоЭДС Зеебека. Конструируя ПД, надо стремиться к тому, чтобы эффекты Зеебека и новый не гасили, а усиливали друг друга.

В опыте влияние эффекта Зеебека легко наблюдать, если сравнивать два измерения ЭДС, выполненных с помощью потенциометра. Перед одним измерением цепь должна длительное время находиться в разомкнутом состоянии, перед вторым – в замкнутом. В первом случае получится чистая нескомпенсированная ЭДС, во втором – суммарная ЭДС от двух эффектов. При практическом использовании ПД-14 в качестве источника напряжения важна первая ЭДС, при использовании в качестве источника тока – вторая.

На этом можно закончить изложение экспериментов с циркуляционными ПД – испарительными и термоэлектрическими.

Резюме: описанные вечные двигатели второго рода реально существуют и действуют, поэтому никакими отговорками здесь отделаться уже невозможно, каждый может легко проверить полученные мною результаты и пойти дальше. Упразднение второго закона термодинамики, а вместе с ним и пресловутой тепловой смерти мира, должно иметь колоссальные последствия для науки и техники. Становится ясно, что назревший ныне на планете энергетический кризис следует разрешать не с помощью строительства атомных станций, катастрофически загрязняющих окружающую среду, а посредством обращения к новым принципам энергетической инверсии. В частности давно пора использовать даровую энергию окружающей среды на основе изложенных выше принципов. Одновременно легко и просто решается также казавшаяся прежде неразрешимой проблема утилизации отходов теплоты в высокомощных энергетических устройствах, когда их КПД сильно не дотягивает до единицы. Эти отходы вполне могут быть использованы с помощью ПД, в которых вообще нет никаких отходов.

Что касается малой мощности, развиваемой описанными двигателями, то этот вопрос принципиального значения не имеет, ибо известно: для установления какого-либо закона физики необходимы тысячи и тысячи подтверждающих экспериментов, но для его ниспровержения достаточно всего лишь одного аномального. Для науки наиболее важны не те тысячи, а именно этот единственный аномальный эксперимент, независимо от его мощности. Поэтому свою главную цель я вижу вовсе не в том, чтобы искать пути создания мощных ПД, - этим займутся другие, кто пойдет следом за нами, у кого окажется больше досуга и возможностей, и кому будет дозволено отклоняться в науке от ГОСТа (проблема ГОСТа обсуждается в следующей главе), а в том, чтобы разрешить спор между парадигмами. Изложенные здесь предельно простые эксперименты с испарительными и термоэлектрическими ПД, не требующими для своего осуществления никакой особой техники и поэтому доступными всем желающим, должны способствовать достижению указанной цели. При этом особую надежду я возлагаю на вовлечение в спор широкого круга инженерно-технических работников, которым чужды кастовые интересы.

В совокупности представленные здесь безопорные движители БМ, утверждающие возможность «движения за счет внутренних сил», и вечные двигатели второго рода ПД, иллюстрирующие «получение КПД устройств, равного... единице и т.д.», затрагивают самые важные, принципиальные стороны явлений природы, непосредственно вытекающие из ОТ и противоречащие старым теориям. Это дает право рассматривать указанные эксперименты как решающие.

Вместе с тем эти эксперименты свидетельствуют о том, что ОТ удовлетворяет критерию перспективностью. Если учесть, что ОТ внутренне непротиворечива – корректна – и охватывает все известные на данный момент опытные факты, включая накопившиеся в прежних теориях аномалии [6, с.442], то станет ясно, что она вполне заслуживает право на жизнь, как удовлетворяющая главным критериям – корректности, адекватности и перспективности.

 

Дата добавления: 2015-08-21; просмотров: 35 | Нарушение авторских прав

Читайте в этой же книге: Новая парадигма науки и главные законы, или начала, ОТ. | Прогнозы ОТ: управление временем, безопорное и вечное движения. | Пространство и время. | Теория движения за счет внутренних сил. | Получение КПД устройств, равного единице. | Хрональнохимическая пара. | Управление реальным физическим временем. | Свойства хронального явления. | Хрональнохимическая пара. | Безопорные двигатели. |mybiblioteka.su - 2015-2018 год. (0.111 сек.)

mybiblioteka.su

Научно-технический энциклопедический словарь - значение слова Термоэлектрический Двигатель

, разновидность РАКЕТНОГО реактивного двигателя, сочетающего тепловую и электрическую энергию для разгона частиц до огромных скоростей. В дуговом РЕАКТИВНОМ ДВИГАТЕЛЕ используется электрическая дуга, разогревающая сжиженный водород до 50 000 °С. Образующаяся в результате ПЛАЗМА, состоящая из ионизированного водорода, вырывается через сопло, или (в плазменных генераторах) через магнитное поле, которое еще сильнее разгоняет ее. см. также ИОН.

Смотреть значение Термоэлектрический Двигатель в других словарях

Двигатель — двигателя, м. 1. Машина, приводящая что-н. в движение; механизм, преобразующий какой-н. вид энергии в механическую работу (тех.). внутреннего сгорания. Электрический двигатель.........Толковый словарь Ушакова

Двигатель М. — 1. Устройство, преобразующее какой-л. вид энергии в механическую работу. 2. перен. Сила, способствующая росту, развитию чего-л.Толковый словарь Ефремовой

Термоэлектрический Прил. — 1. Связанный с процессом перехода тепловой энергии в электрическую. 2. Основанный на действии двух разнородных проводников, составляющих замкнутую цепь.Толковый словарь Ефремовой

Двигатель — -я; м.1. Машина, превращающая какой-л. вид энергии в механическую энергию. Паровой д. Д. внутреннего сгорания. Реактивный д.2. чего. Сила, побуждающая к чему-л., содействующая........Толковый словарь Кузнецова

Термоэлектрический — [те] и [тэ], -ая, -ое. Физ., техн.1. Связанный с процессом непосредственного преобразования теплоты в электрическую энергию. Т-ие явления. Т-ие свойства полупроводников.........Толковый словарь Кузнецова

Ванкеля Двигатель — роторно-поршневой двигатель внутреннего сгорания,конструкция которого разработана в 1957 немецким ученым Ф. Ванкелем (F.Wankel). В Ванкеля двигателе 3-гранный ротор (поршень)........Большой энциклопедический словарь

Вечный Двигатель — (лат. perpetuum mobile - перпетуум мобиле) -1) вечныйдвигатель 1-го рода - воображаемая, непрерывно действующая машина,которая, будучи раз запущенной, совершала бы работу без получения........Большой энциклопедический словарь

Винтовой Двигатель — (забойный) - гидравлический забойный двигательобъемного типа, многозаходные рабочие органы которого выполнены по схемегероторного планетарного механизма, приводимого........Большой энциклопедический словарь

Вихрекамерный Двигатель — дизель, каждый цилиндр которого соединен свихревой камерой, где топливо предварительно перемешивается вихремпоступающего воздуха. Вихрекамерные двигатели характеризуются........Большой энциклопедический словарь

Воздушно-реактивный Двигатель (врд) — реактивный двигатель, использующийдля сжатия горючего кислород атмосферного воздуха. По способу сжатиявоздуха различают турбокомпрессорный (ТРД), пульсирующий (ПуВРД)........Большой энциклопедический словарь

Газовый Двигатель — двигатель внутреннего сгорания, работающий нагазообразном топливе (природный, генераторный, доменный и др. газы, атакже сжиженный газ). Различают газовые двигатели........Большой энциклопедический словарь

Газожидкостный Двигатель — то же, что газодизель.Большой энциклопедический словарь

Газотурбинный Двигатель (гтд) — тепловой двигатель, в котором энергиягазовоздушной смеси, получаемой при сгорании топлива в камере сгорания,преобразуется в механическую работу с помощью газовой........Большой энциклопедический словарь

Гибридный Ракетный Двигатель — химический ракетный двигатель, работающийна т. н. гибридном топливе (обычно твердое горючее и жидкий окислитель).Созданы экспериментальные образцы с максимальной тягой........Большой энциклопедический словарь

Гидравлический Двигатель — (гидродвигатель) - устройство для преобразованиямеханической энергии жидкости в механическую работу вращающегося вала,возвратно-поступательно движущегося поршня........Большой энциклопедический словарь

Двигатель — энергосиловая машина, преобразующая какую-либо энергию вмеханическую работу. Подразделяют на первичные и вторичные. Первичные(гидротурбины, двигатель внутреннего........Большой энциклопедический словарь

Двигатель Внутреннего Сгорания — тепловой двигатель, в котором частьхимической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется вмеханическую энергию. По роду топлива различают жидкостные........Большой энциклопедический словарь

Жидкостный Ракетный Двигатель (жрд) — химический ракетный двигатель,работающий на жидком топливе, состоящем в основном из окислителя(кислород, оксиды азота и т. д.) и горючего (водород, углеводороды,диметилгидразин........Большой энциклопедический словарь

Забойный Двигатель — погруженный в буровую скважину двигатель, передающийвращение непосредственно породоразрушающему инструменту. Различаюттурбобуры, электробуры, винтовые двигатели и гидроударники.Большой энциклопедический словарь

Изотопный Двигатель — то же, что радиоизотопный ракетный двигатель.Большой энциклопедический словарь

Инерционный Двигатель — энергосиловая машина, использующая энергию,запасенную маховиком; иногда применяется для привода машин, транспортныхсредств (напр., жиробуса) и др.Большой энциклопедический словарь

Карбюраторный Двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в которомгорючая смесь приготовляется карбюратором вне камеры сгорания (отсюдадругое название - двигатель с внешним смесеобразованием)........Большой энциклопедический словарь

Крейцкопфный Двигатель — дизель, в котором шатун и поршень связаныкрейцкопфом. Применяется в основном на судах.Большой энциклопедический словарь

Магнитогидродинамический Ракетный Двигатель — см. Электромагнитныйракетный двигатель.Большой энциклопедический словарь

Плазменный Ракетный Двигатель — электрический ракетный двигатель, вкотором рабочее тело - плазма; 2) то же, что электромагнитный ракетныйдвигатель.Большой энциклопедический словарь

Пороховой Ракетный Двигатель — см. Ракетный двигатель твердого топлива.Большой энциклопедический словарь

Прямоточный Воздушно-реактивный Двигатель (пврд) — реактивный двигатель, вкотором непрерывно поступающий в камеру сгорания воздух сжимается поддействием скоростного напора. Имеет большую тягу при сверхзвуковыхскоростях........Большой энциклопедический словарь

Пульсирующий Воздушно-реактивный Двигатель — реактивный двигатель, вкотором периодически поступающий в камеру сгорания воздух сжимается поддействием скоростного напора. Имеет небольшую тягу; использовался восновном........Большой энциклопедический словарь

Пусковой Двигатель — карбюраторный двигатель внутреннего сгораниянебольшой мощности для пуска главным образом тракторных дизелей.Большой энциклопедический словарь

Радиоизотопный Ракетный Двигатель — (изотопный) - ракетный двигатель, вкотором энергия распада радионуклида используется для нагрева рабочеготела либо продукты распада сами создают реактивную струю.........Большой энциклопедический словарь

Посмотреть еще слова :

Перевести Термоэлектрический Двигатель на язык :

slovariki.org

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАДИАТОР СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ | Опубликовать статью ВАК, РИНЦ

Папкин Б.А.1, Коротков В.С.2, Татарников А.П.3

1Кандидат технических наук, заместитель директора, 2ведущий инженер-исследователь, 3инженер-исследователь 1 категории, научно-технический центр «Силовые агрегаты» Московского государственного машиностроительного университета (МАМИ), Москва

Работа проводится при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора № 14.Z56.15.3290-МК от “16” февраля 2015 года об условиях использования гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых с организациями – участниками конкурсов, имеющими трудовые отношения с молодыми учеными МК-3290.2015.8

ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАДИАТОР СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Аннотация

В статье рассмотрено одно из направлений утилизации тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателей внутреннего сгорания – прямое преобразование ее в электроэнергию в термоэлектрических генераторах. Рассмотрены примеры конструкций термоэлектрических генераторов для систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания. Показана конструкция разработанного термоэлектрического радиатора, упрощающая его применение в серийно выпускаемых транспортных средствах, и приведены его технические характеристики.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания; термоэлектрический модуль; система охлаждения; удельный эффективный расход топлива.

Papkin В.A.1, Korotkov V.S.2, Tatarnikov A.P.3

1PhD in Engineering, deputy director, 2 leading research engineer, 3 research engineer, R&D Center “Propulsion Systems” Moscow state university of mechanical engineering (MAMI), Moscow

THERMOELECTRIC RADIATOR FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE COOLING SYSTEM

Abstract

The article deals with one of the areas of utilization of heat energy withdrawn cooling system of the internal combustion engine – its direct conversion into electricity in thermoelectric generators. Examples of constructions of thermoelectric generators for the cooling systems of internal combustion engines. Shows the construction of a thermoelectric radiator developed, simplifying its use in mass-produced vehicles, and given its characteristics.

Keywords: internal combustion engine; thermoelectric module; cooling system; specific fuel consumption.

В настоящее время в крупных мегаполисах и регионах Российской Федерации значительно возрастает парк автотранспортных средств, энергетические энергоустановки которых наносят значительный урон окружающей среде.

Двигатели внутреннего сгорания, особенно применяемые на транспорте, выбрасывают около четверти всех антропогенных парниковых газов, причем на долю углекислого газа приходится почти 90% выбросов всех парниковых газов. Эти выбросы напрямую связаны со сгоранием топлива и пропорциональны его расходу.

Внешний тепловой баланс двигателей внутреннего сгорания показывает [1], что значительная часть тепла, получаемого в результате сгорания питающего его топлива, выбрасывается с выпускными газами и отводится в систему охлаждения. Только 30% энергии идёт на полезную работу (если авто оснащено бензиновым двигателем, если же дизелем — несколько больше), примерно 30% уходит через систему охлаждения двигателя и до 35% — с выхлопными газами. Это большой потенциальный ресурс для повышения экономичности машин и значительную часть этой энергии можно использовать для различных целей [2]. Одним из направлений утилизации тепловой энергии, отводимой системами выпуска отработавших газов и охлаждения двигателей внутреннего сгорания, является прямое преобразование ее в электроэнергию в термоэлектрических генераторах.

Эффект Зеебека, позволяющий напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую, заключается в возникновении электродвижущей силы при наличии разницы температур в контактах замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводников. Однако электродвижущая сила, возникающая в цепи из двух разнородных проводников, не превышает нескольких милливольт, что достаточно для замеров температуры, но не для генерирования электроэнергии. С целью повышения эффективности как прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, так и обратного, были созданы термоэлектрические элементы, состоящие из полупроводников p и n типов последовательно соединенных электрически и параллельно соединенных термически. Конструкция термоэлектрического генераторного модуля показана на рисунке 1.

Рис. 1 – Конструкция термоэлектрического генераторного модуля

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации ТЭГ различного назначения и применения позволяет сделать вывод, что они имеют такие уникальные качества, как полная автономность, высокая надежность, простота эксплуатации, долговечность, способность работать в любом пространственном положении.

Ведущие автопроизводители, такие как General Motors, BMW и Toyota, разработали собственные термоэлектрические генераторы для утилизации тепловой энергии отработавших газов [3-5] и проводят их испытания, как лабораторные, так и в составе транспортных средств. При этом другой не менее перспективный источник теплоты, такой как система охлаждения теплового двигателя, позволяющий дополнительно улучшить энергоэффективность ДВС, рассматривается гораздо реже.

В работах [6] и [7] представлено исследование термоэлектрического генератора, смонтированного в системе охлаждения двигателя внутреннего сгорания на место штатного радиатора охлаждения. ТЭГ представляет собой систему из двух видов охлаждения – жидкостного и воздушного и включает в свою конструкцию тепловые трубки. Горячая часть генератора имеет впускные и выпускные патрубки для циркуляции охлаждающей жидкости из системы охлаждения двигателя. Охлаждающие пластины и горячая часть генератора имеют многослойную структуру. Термоэлектрические модули смонтированы на обеих сторонах горячей части генератора. Чтобы увеличить эффективную площадь поверхности горячей стороны блока ТЭГ, в конструкции предусмотрен ряд перегородок.

На рисунке 2 представлены составляющие элементы термоэлектрического генератора, вид сбоку и внутренняя структура горячей стороны блока. Стрелки указывают направление течения охлаждающей жидкости ДВС.

Рис. 2 – Термоэлектрический генератор

Аналогичный подход к конструкции термоэлектрического радиатора отражен в патенте [8]. Конструкция представленного генератора, показанная на рисунке 3, отличается соединением высокотемпературного теплообменного аппарата, отводящего тепловую энергию от охлаждающей жидкости, и низкотемпературного теплообменного аппарата, рассеивающего тепловую энергию в набегающем потоке воздуха, с помощью тепловых трубок различной конфигурации.

Рис. 3 – Конструкция термоэлектрического генератора с теплообменными трубками различных конфигураций

 

Рассмотренные варианты конструкции термоэлектрического радиатора обладают двумя существенными недостатками. Во-первых, наличие тепловых трубок значительно повышает себестоимость термоэлектрического радиатора и, во-вторых, что значительно ограничивает применимость данных конструкций в составе транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, несовпадение габаритных и присоединительных размеров с аналогичными характеристиками штатных радиаторов.

Более целесообразным подходом в разработке конструкции, как с точки зрения снижения себестоимости готового изделия, так и упрощения последующего внедрения в транспортное средство, является сохранение габаритных и присоединительных размеров с изменением сердцевины радиатора. Это позволит использовать разработанный термоэлектрический радиатор в серийно выпускаемых транспортных средствах с сохранением компоновочной архитектуры подкапотного пространства.

В данной работе в качестве прототипа был использован штатный радиатор 21230-1301012, технические характеристики которого приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Технические характеристики радиатора 21230-1301012

Безусловно, для обеспечения работы двигателя внутреннего сгорания, количество тепловой энергии, отбираемой термоэлектрическим радиатором от системы охлаждения должна быть не меньше, чем теплоотдача штатного радиатора, чему может, дополнительно, способствовать прямое преобразование части теплоты в электрическую энергию в термоэлектрических генераторных модулях.

На рисунке 4 показана конструкция термоэлектрического радиатора с габаритными и присоединительными размерами, не отличающимися от аналогичных параметров радиатора 21230-1301012.

а) – вид спереди; б) – изометрический вид; в) – увеличенный местный вид; 1 – плоская трубка; 2 – термоэлектрический генераторный модуль; 3 – ребра охлаждения; 4 – вентилятор; 5 – кожух вентиляторов.

Рис. 4 – Конструкция термоэлектрического радиатора

 

Основной функциональной частью термоэлектрического радиатора является термоэлектрический генераторный модуль. В термоэлектрических модулях происходит прямое преобразование тепловой энергии из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания в электрическую. Охлаждающая жидкость проходит по плоским трубкам (1), с двух сторон которых расположены термоэлектрические генераторные модули (2), к холодным сторонам которых примыкают ребра охлаждения (3). Благодаря постоянному подводу теплоты от охлаждающей жидкости к горячим сторонам термоэлектрических генераторных модулей и одновременному отводу теплоты ребрами в окружающий воздух, возникает эффект Зеебека, позволяющий получить электрическую энергию, направляемую либо в бортовую сеть транспортного средства или аккумуляторную батарею.

Разрабатываемый термоэлектрический радиатор для замены штатных радиаторов в серийно выпускаемых автомобилях с целью утилизации части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателей внутреннего сгорания, должен обладать следующими характеристиками:

  • значение теплоотдачи при стандартных условиях не менее чем у штатного радиатора, что необходимо для обеспечения заданного теплового режима работы двигателя внутреннего сгорания;
  • габаритные и присоединительные размеры, полностью совпадающие со штатным радиатором, что позволит использовать его в серийно выпускаемых транспортных средствах с сохранением компоновочной архитектуры подкапотного пространства;
  • значения аэродинамического сопротивления и гидравлического сопротивления, создаваемого в системе охлаждения, не более чем у штатного радиатора, что ограничивается производительностью вентилятора и жидкостного насоса;
  • заправочный объем, равный аналогичному показателю штатного радиатора, для сохранения общего заправочного объема системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания на прежнем уровне.

Разработанный термоэлектрический радиатор предназначен для утилизации части тепловой энергии, отводимой системой охлаждения двигателя внутреннего сгорания, с получением электроэнергии. Внедрение в конструкцию транспортных средств, оснащенных двигателями внутреннего сгорания, разработанного термоэлектрического генератора позволит снизить потребление топлива и уменьшить отрицательное техногенное воздействие вредных выбросов с отработавшими газами на окружающую среду.

Литература

  1. Bourhis, G., Leduc, P. Energy and exergy balances for modern diesel and gasoline engines. Oil & Gas Science and Technology. 2010. Rev. IFP, Vol. 65, No. 1 P. 39-46.
  2. Khripach, N., Papkin, B. and Korotkov, V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Science Journal. 2014. 11(12) P.503-507.
  3. Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // Патент США № 2013/0000285, 03.01.2013.
  4. K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // Патент США № 7687704, 30.03.2010.
  5. Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // Патент Германии № 102009033613, 20.01.2011.
  6. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523-530.
  7. Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812-816.
  8. Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // Патент Кореи № 100986657, 04.10.2010.

References

  1. Bourhis, G., Leduc, P. Energy and exergy balances for modern diesel and gasoline engines. Oil & Gas Science and Technology. 2010. Rev. IFP, Vol. 65, No. 1 P. 39-46.
  2. Khripach, N., Papkin, B. and Korotkov, V. Thermoelectric generators of motor vehicle powertrains, problems and prospects. Life Science Journal. 2014. 11(12) P.503-507.
  3. Gregory P. Prior, GM global technology operations LLC. Internal combustion engine exhaust thermoelectric generator and methods of making and using the same // US patent № 2013/0000285, 03.01.2013.
  4. K. Shimoji, K. Suzuki, Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha. Thermoelectric generator for internal combustion engine // US patent № 7687704, 30.03.2010.
  5. Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh, Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft. Thermoelektrische Vorrichtung mit Rohrbündeln // DE patent № 102009033613, 20.01.2011.
  6. Baatar, N., Kim, S. A thermoelectric generator replacing radiator for internal combustion engine vehicles. Telkomnika. 2011. Vol.9, No.3 P. 523-530.
  7. Kim, S., Park, S., Kim, S. and Rhi, S.-H. A thermoelectric generator using engine coolant for light-duty internal combustion engine powered vehicles. Journal of electronic materials. 2011. Vol. 40, No. 5 P. 812-816.
  8. Chungbuk National University Industry Academic Cooperation Foundation. Thermoelectric cooling and power-generating apparatus // KR patent № 100986657, 04.10.2010.

research-journal.org

Термоэлектрический генератор: история, развитие, конструкция

Термоэлектрический генератор – это прибор, позволяющий получить электрическую энергию из тепла. Казалось бы, это превосходный источник энергии, но, к несчастью, обладает весьма низким КПД. К тому же, постоянный ток не преобразуется трансформаторами.

История открытия

Зеебек обнаружил в 1822 году (по другим данным – от 1820 до 1821), что при нагревании спая из разных материалов в замкнутой электрической цепи течёт ток. В то время КПД преобразования составил порядка 3%. Несмотря на столь мизерную цифру, результат первого термоэлектрического генератора вполне мог соперничать с паровыми машинами того времени. Экспериментируя с пластинками сурьмы и висмута, Зеебек вёл измерения гальванометром Швейггера (точнее говоря, катушкой индуктивности и магнитной стрелкой). Следовательно, не мог начать свои эксперименты ранее 16 сентября 1820 года. Кажущаяся необъяснимость и незначительность этого события заставили учёного повременить. Не торопясь, изучив своё открытие, Зеебек сделал доклад о нем лишь в 1823 году.

Путём логических рассуждений он предположил, что земной магнетизм объясняется разницей температур между экватором и полюсами. Вот почему принцип действия термоэлектрического генератора был объяснён магнитной поляризацией. Зеебек исследовал большое количество образцов, некоторые из которых были полупроводниками, и выстроил материалы в ряд по их способности отклонять магнитную стрелку. Эти данные используются (в уточнённом виде) и по сей день для конструирования термоэлектрических генераторов. Коэффициент Зеебека измеряется в мкВ/К.

Как наши учёные с радиоактивными металлами, так и Зеебек обращался со своими образцами. После Второй мировой войны, когда стало известным, что США обладают потрясающим новым оружием, был отдан приказ всеми силами ускорить создание ядерного оружия. Заключённые и просто экспериментаторы едва ли не руками ударяли друг о друга куски радиоактивной породы, чтобы достичь цепной реакции. Понятно, что большинство из них в скором времени после этого погибло.

Зеебек остался жив. Он брал руками висмут и сурьму, замыкал цепь и, совсем как Гальвани в своё время, наблюдал «животное электричество». Нужно сказать, что он долго ещё верил бы в свои замечательные трансцендентные способности, если бы его домработница не заставила его думать, что все дело в нагреве образцов. Да, он делал это своим перстом, но то же самое мог проделать и любой другой смертный. После того, как карьера мага окончательно ушла из рук великого учёного, он вернулся, наконец, к физике. Оказалось, что если металлы состыковать плотно и нагревать лампой, то стрелка отклоняется ещё дальше.

Первоначально объяснение наблюдаемому эффекту было дано весьма необычное и названо магнитной поляризацией. С точки зрения современной науки сложно объяснить такую позицию, но если взглянуть глазами современников… В сентябре 1820 года Ганс Эрстед доложил научным кругам Франции и Великобритании о своём открытии, свершившем революцию в следующие 100 лет. Учёный никуда не спешил: заметив странное поведение стрелки морского компаса. Долгое время он изучал, оценивал, затем написал нескольким прогрессивно мыслившим современникам… Дальнейший открытия посыпались одно за другим:

  1. Закон Ома.
  2. Электромагнит.
  3. Электрокомпас.
  4. Гальванометр.
  5. Индуктивность.
  6. Электродвигатель.

Долго перечислять все изобретения следующих 15 лет, но что было на момент открытия Зеебеком термоэлектричества? Ничего! Совершенно точно известно, что Георг Ом пользовался парой висмута и сурьмы для вывода своего известного закона для участка цепи. Во времена Зеебека существовали такие понятия, как заряд, магнетизм, электричество, ёмкость конденсатора, – и все! Никаких разниц потенциалов, токов, электромагнитный полей и их напряжённости. Как ещё Зеебек мог назвать открытое им явление?

Незадолго перед этим Малюс, Френель, Юнг и Брюстер опубликовали работы по поляризации света. Это явление исследовали на основе кристаллов исландского шпата и тогда же ввели термин ось (с греч. – полюс, ось). Магнитные полюса имел и Земной шар. Так что ничего удивительного нет в том, что Зеебек приписал своей установке такое странное название. Катушка ориентировала стрелку компаса, совсем как планета Земля.

Буквально в течение года правильное объяснение было найдено. И Георг Ом использует термопару, как источник стабилизированного напряжения для открытия своего широко известного закона: задаёт фиксированную разницу температур через точки кипения воды и таяния льда. Вот с этого времени и можно открывать эру термоэлектричества.

Развитие концепции термоэлектричества

Когда стало понятно, что тепло не может непосредственно превращаться в магнетизм, то была, наконец, отвергнута идея образования полей Земного шара жаром извергающихся вулканов и кипящей внутри магмой. Сопоставив опыты Эрстеда и Зеебека, научное сообщество нашло правильный путь. За Георгом Омом термопару в качестве термоэлектрического генератора стали использовать и в электролизе (1831 год). Но сам термин ещё был неустойчивым. Считается, что первые термоэлектрические генераторы появились во второй половине XIX века. Но все они были не более, нежели лабораторными установками для исследований различных процессов (некоторые из которых будут описаны ниже) и именовались по-иному.

Это совершенно точно, потому что в Почтово-Телеграфном журнале ближе к 1899 году была опубликована заметка о создании батареи для питания лампочек мощность 16 кандел. В топку печи было помещено концом термопар столько, чтобы напряжение их и ток были достаточными. Объединяя питающие элементы последовательно, можно было поднять вольтаж. А при параллельном включении увеличивался ток. Каждая термопара была сконструирована по образу и подобию той, что использовал Зеебек (сурьма – антимонид цинка). К тому времени уже была известна батарея Гюльхера (предположительно, 1898 год).

Термин батарея ввёл для лейденских банок (конденсаторов) Бенджамин Франклин.

Так в научных кругах последовательно соединённые термопары окрестили термобатареей. Считается, что первым такой прибор создали Эрстед и Фурье в 1823 году. Они объединили термопары Зеебека для получения более мощного источника питания. Дальнейшее развитие эта концепция получила с подачи Леопольдо Нобили и Македонио Меллони: для серии опытов по исследованию инфракрасного спектра они создали тепловой мультипликатор. Идея пришла обоим после внесения прогрессивных изменений в конструкцию Швейггера (1825 год).

Как известно, задумка первого гальванометра была в том, что эффект витков проволоки перемножается по их количеству. Аналогичным образом они собрали «усилитель тепла» из термопар. Прибор предназначался целиком для исследования инфракрасного спектра за счёт измерения производимого им нагрева, но впоследствии концепция послужила основой для создания новых источников питания. Индикатором термоумножителя является стрелка компаса.

Временная линейка развития изобретений

Вслед первым ласточкам эффект Зеебека активно применялся и дальше. Патент на применение термоэлектрических генераторов взамен обычных взят в 1843 году Мозесом Пулом.

Пергелиометр для измерения солнечной активности

Пергелиометр предназначен для измерения интенсивности солнечного излучения по степени нагрева термопары. Изобретённый Клодом Пулье между 1837 и 1838 годами прибор позволил учёному вычислить с высокой степенью точности солнечную константу, как равную 1228 Вт/кв. м. Изначально пергелиометр не предполагалось использовать, как термоэлектрический генератор. Тем не менее, кое-какие наработки из этой конструкции служили опорой для дальнейшего прогресса отрасли.

Вот некоторые данные по изобретению, взятые из научного доклада доктора Стоуна, прочитанного 18 ноября 1875 года. «Сплавы проявляют более мощные свойства в сочетании металлов, нежели каждый из простых материалов по отдельности. В составе одной части цинка и двух – сурьмы образец давал разницу потенциалов 22,7. Тогда как потенциалы компонентов, взятых по отдельности следующие:

  • Сурьма – от 7 до 10.
  • Цинк – порядка 0,2.

Единственным исключением является сплав висмута с оловом. При составе его 12 к 1 потенциал падает с 35,8 до 13,67. Мне посчастливилось начать свои исследования с пары из нейзильбера (богатого никелем) и железа. Наблюдаемая ЭДС не была велика. Тогда я испробовал сплав Маркуса, состоящий из 12 частей сурьмы, 5 цинка и 1 висмута. Но результат получился хрупким и с ярко выраженной кристаллической структурой.

Тогда был добавлен мышьяк с тем, чтобы как-то сгладить указанные недостатки. В результате было обнаружено, что сплав сурьмы, мышьяка и цинка с небольшой примесью олова проявляет гораздо большую пластичность при тех же термоэлектрических свойствах, которые наблюдаются у сплава Маркуса. Второй частью пары был оставлен нейзильбер.»

Термобатарея

Термобатарея Маркуса была приравнена к одной двадцатой от ячейки Даниэля, потому что давала 55 мВ постоянного напряжения. Негативной «обкладкой» служил сплав из меди, цинка и никеля в соотношении 10:6:6, похожий по внешнему виду на нейзильбер; положительной – соединение сурьмы, цинка и висмута в соотношении 12:5:1. По данным «Electricity in The Service of Man», 3-ей редакции, 1896, в мае 1864 года Маркус получил премию от Венского научного общества за свой термоэлектрический генератор. Составленные шалашом термопары в верхней части объединялись нагреваемой металлической полосой. Нижние части охлаждались водой. Все бы хорошо, но сплавы на воздухе быстро окислялись с грандиозным повышением омического сопротивления контактов.

Вклад Беккереля

Доподлинно неизвестно, когда появился на свет термоэлектрический генератор Эдмонда Беккереля, но историки относят это на период 1867-1868 года. В его конструкции переход образован сульфидом меди и нейзильбером. На изображении: в ближний резервуар закачивалась холодная вода, а в дальний – раскалённый газ. Напряжение термоэлектрического генератора снималось со спиралевидных выводов.

Термогенераторы Клэмонда

По поводу этих термоэлектрических генераторов доктор Стоун высказал следующее. «Применение железа даёт неплохой эффект, который полностью нивелируется быстрым ржавением изделия.»

  • Термоэлектрический генератор (предположительно 1874 года выпуска) Клэмонда и Мура сконструирован из антимонида цинка и чистого железа специально для целей электролиза. Подогреваемый он позволял за час получить примерно унцию меди, потребляя 6 кубических футов газа. Использовался также для плакирования металлических изделий. Газовый регулятор термоэлектрического генератора позволял изменить величину получаемого электрического тока. На представленном виде сверху видны секторы из антимонида цинка, тогда как треугольные листовые лопасти – железные.
  • В 1789 году термоэлектрический генератор Клэмонда был значительно усовершенствован. При внутреннем сопротивлении 15,5 Ом он мог давать напряжение 109 В при токе около 1,75 А, потребляя за час 22 фунта угля. Коммутацией соединений вольтаж можно было уменьшить до 54 В. Ток термоэлектрического генератора при этом возрастал до 3,5 А. Подогреваемая угольной печью конструкция высотой под 2,5 метра и диаметром около метра, напоминающая кулер современных процессоров, снаружи содержала многочисленные железные крылья. Газы проходили внутри, раскаляя антимонид цинка. По некоторым данным каждые 20 термопар генератора давали 1 В напряжения.
  • Термоэлектрический генератор Ноэ (вероятно, 1874 год) больше напоминает современную турбину какой-нибудь ТЭС по форме. Центральная часть термпопар подогревается горелкой, а периферия охлаждается за счёт излучения и конвекции. Это сравнительно мелкое подобие генератора Клэмонда с внутренним сопротивлением 0,2 Ом, рассчитанное на напряжение 2 В и состоящее из 128 термопар. Эффективность термоэлектрического генератора сильно снижали нейзильберовые промежуточные контакты, рассеивающие тепло. В современных термоэлектрических генераторах используется p-n-переход без промежуточных материалов между полупроводниками.
  • Переносной термоэлектрический генератор Хоука (вероятно, 1874 год) рассчитан всего лишь на 110 мВ (одна десятая ячейки Даниэля) и включал 30 термопар, половинки которых объединены платиновой проволокой длиной 1,2 дюйма. Горелка сильно напоминала бунзеновскую, а холодный конец погружали в воду. Конструкция сильно напоминает изобретения Ноэ и в меньшей степени Клэмонда. Ключевое отличие заключается в промышленном выпуске этих изделий для широкого круга потребителей. Генераторы продавались двойками и тройками, размещёнными на едином основании.
  • Угольный термоэлектрический генератор изобретён Гарри Бэрринджером, и авторские права закреплены патентом US434428 от 1890 года.

Аккумулятор Гюльхера

Одна из последних конструкций, придуманных в XIX веке. Историки относят её на 1898 год. 50 термопар давали напряжение в 1,5 В при токе 3 А и внутреннем сопротивлении 0,5 Ом. На эти цели тратится ежечасно 5 кубических футов газа. По мнению исследователей хороший прибор мог бы давать по крайней мере втрое больше при том же расходе.

Натурный эксперимент показал средний срок службы в 200 часов, хотя один образец проработал и 500, наконец, нашёлся экземпляр, прослуживший целых два года. В 1903 году один из журналов опубликовал сведения об общих испытаниях аккумулятора Гюльхера. В ходе работы зажжённая горелка грела термопары, пока напряжение на достигло 3,5 В. После этого прибор выключили и смотрели, как он будет себя вести после прекращения подачи газа. При снижении напряжения до 1,5 В и ток резко оборвался. Вывод был сделан следующий:

– Термонапряжение очень стабильное, что обусловлено значительной тепловой инерцией. Температурные изменения происходят неспешно, и так же плавно опускается напряжение при остывании.

Впрочем, то же самое заметил ещё Поггендорф, советовавший Георгу Ому использовать термопару вместо вольтова столба. Аккумулятор Гюльхера был весьма популярен в начале XX века. Так например, Лихайский Университет сообщает, что для новой металлургической лаборатории в 1905 году были закуплены три термобатареи Скотта и одна – Гюльхера.

Конструкция напоминает устаревший на сегодняшний день радиатор отопления. Такие ещё можно встретить в общественных зданиях, построенных и оборудованных ещё СССР. Это переносной прибор: с каждой стороны имеется Т-образная рукоятка для транспортировки.

Переносной генератор

Переносной термоэлектрический генератор Шудре напоминает по внешнему виду масляный фильтр грузового автомобиля. Для получения тепла нужно разжечь газовую горелку. Почти никаких сведений не сохранилось об этом приборе. Тем не менее, в изданиях 1898 года может быть найдена следующая информация о совместных испытаниях изделия с упоминавшимися выше по тексту:

«Профессор Кольраух заметил ещё в 70-е, что вольтаж термоэлектрического генератора зависит от числа пар, включённых последовательно. Это вполне подтверждается опытами на конструкциях Клэмонда, Ноэ и Шудре, изготовленных и проданных за истекшие 20 лет. Они дают 2, 4, 6 и 8 вольт, имея, соответственно, 36, 72, 108 и 144 пары в своём составе. Видно, что напряжение строго пропорционально общему числу. Шудре сконструировал также экземпляр, состоящий из 720 элементов. Как и следовало ожидать, результирующее напряжение составило 40 В и могло поддержать бы горение разрядной лампы».

В заметке говорилось, что начинающие электрики вполне могут взять представленный на фото образец за пример хорошего коммерчески успешного продукта. Термоэлектрический генератор Шудре изготавливается в 6 типоразмерах, на токи от 1,3 до 2,5 А при напряжении от 3 до 8,5 В, в зависимости от габаритов и количества элементов.

XX век

В XX веке большая часть термоэлектрических генераторов снабжалась патентом, а топливом понемногу стал газ. Особенностью этого периода являются попытки теоретически объяснить наблюдаемое явление. Первым рассчитал КПД термоэлектрических генераторов Рэйли, хотя результат и был ошибочным. В 1909 и 1911 годах предпринимались попытки дать теоретические исследования материалов: Альтенкирх показал, что хорошие термоэлектрические материалы должны обладать большим коэффициентом Зеебека и малым омическим сопротивлением контакта для сокращения потерь на тепло.

Забавно, но используемые сегодня для создания мощных приборов полупроводники остались за пределами интересов Зеебека, который целиком сосредоточил своё внимание на чистых металлах и их сплавах. В перечисленных материалах согласно закону Видеманна-Франца-Лоренца отношение тепловой проводимости к электрической является константой. Поэтому самыми подходящими металлами для термопар являются те, у которых коэффициент Зеебека максимальный.

Значительные сдвиги в отрасли пришлись на период синтеза в 30-е году полупроводников со значениями коэффициента Зеебека, превышающими 100 мкВ/К. В результате чего после Второй мировой войны (1947 год) на сцене появился генератор М. Телкеса с КПД около 5%. Через пару лет Абрам Федорович Иоффе разработал теорию полупроводниковых термоэлементов. К сожалению, интересы великих держав того времени расходились, и не было немедленно осознано, что полупроводники таят в себе большой потенциал. В 1956 году Иоффе с сотрудниками показали, что слишком большое отношение термической и электрической проводимости может быть уменьшено сплавлением этим материалов с различными компаундами. Из-за большого военного значения многие разработки так и остались в тайне, в частности, исследования RCA.

Современный генератор представляет собой сандвич из заключённого между керамическими пластинами слитка n и p полупроводников. При создании нужной разницы температур устройство вырабатывает энергию. Керамика является хорошим электрическим изолятором, но проводит тепло. Что и является основой успешности указанной конструкции. Понятно, что в вакууме, с одной стороны обогреваемый Солнцем, а с другой – охлаждаемый блеском звёзд, термоэлектрический генератор может показать фантастическую разницу температур между своими поверхностями. Что закономерно увеличит отдаваемую мощность. Следовательно, это неплохой источник питания, простой и удобный, для любых космических объектов.

В начале 60-х из космоса термоэлектричество потихоньку спустилось на Землю. Преимущественными сферами стали медицина и исследования поверхности планеты (в том числе полезные ископаемые). Ключевыми достоинствами новой технологии стали простота, надёжность, отсутствие движущихся частей, бесшумность, а недостатками – высокая цена и низкая эффективность (все те же 5%). Вот примерный расчёт целесообразности применения новых материалов:

  1. Там где имеется воздух, нужно задуматься об углеводородных ресурсах.
  2. На движущихся объектах в первую очередь экономят место. При этом энергетическая плотность жидкого топлива в 50 раз выше свинцовых аккумуляторов или батареек.
  3. Следовательно, при эффективности термоэлектрических полупроводников выше 2% их применение становится оправданным. При том, что нефть потихоньку выгорает, снижая общую массу объекта.

В некоторых случаях подогрев термоэлектрического генератора удаётся вести радиоактивными изотопами. Что открывает совершенно новые горизонты. Подобный источник использовался на Вояжере (1977 год) и проработал свыше 17 лет. С удорожанием нефти (кризис 1973 года) правительство США обратило внимание на новые источники энергии. Прежде всего это отходы сливных вод мощных предприятий, содержащие огромные потенциальные возможности. В ходе исследований затрагивались такие интереснейшие вещи, как сверхпроводимость полупроводников при относительно высоких температурах (150 – 170 К) для улучшения свойств термопар. Затем усилия сосредоточились на доведении до кондиции элементной базы из германия и кремния.

Открытые на сегодняшний день термоэлектрические материалы можно поделить условно на три группы по рабочей температуре:

  1. Теллурид висмута и его сплавы демонстрируют наилучшие показатели качества в области 450 К.
  2. Теллуриды свинца и сего сплавы имеют несколько более низкие показатели, но могут работать при температурах от 1000 до 1300 К.
  3. Наконец, композиции кремния и германия обладают низкой эффективностью, но хорошо отработанной технологией изготовления. Работают также при температурах от 1000 до 1300 К.

Конструкции XX века

Терматтаикс

Термоэлектрический генератор Терматтаикс 1925 года обладает весьма сложным для произношения названием и на фронтальной панели содержит вольтметр для регистрации напряжения. Такая строгость нужна потому, что прибор служит зарядным устройством для свинцовых аккумуляторов на 6,3 В. Но подразумевается возможность применения термоэлектрического генератора напрямую в качестве приспособления для накала катодов электронных ламп.

На передней панели прибора имеется ручка регулировки подачи продуктов сгорания для влияния посредством неё на выходное напряжение. И хотя некоторые авторы считают, что флуктуации все же были бы слишком большими, выше по тексту также высказывалась точка зрения о хорошей стабильности термоэлектрических генераторов. Следовательно, возможность их использования в высказанном контексте очевидна.

Журнал Amateur Wireless высказал предположение, что этот термоэлектрический генератор вполне годится для питания переносных любительских радиостанций в походах и экспедициях. Там, где нет электричества, можно получить его в ограниченных количествах, сжигая нефть, газ, уголь, дрова. В общем все, что найдётся под рукой.

Газовое радио

Высказанную выше идею о питании радиостанции от любого горючего реализовали уже в 30-е годы от термоэлектрического генератора. Некая компания The Cardiff Gas Light&Coke выпустила соответствующую рекламу. На нем впервые стоит надпись «термоэлектрический генератор». Предыдущие образцы упорно именовались в литературе аккумуляторами, батареями, либо вовсе оставались без названия. Рекламка говорит, что когда энергия иссякнет, струя газа позволит слушать свежие радиотрансляции едва ли не в любой точке мира. Вот такие были времена: немного каменного угля, и новости всегда будут под рукой.

Этот термоэлектрический генератор представляет собой настоящий блок питания портативного приёмника и обеспечивает подогрев катодов напряжением 2 В при выходном токе 0,5 А и электрическую схему напряжением 120 В при потребляемом токе 10 мА. В информационной заметке к рекламному листку говорится, что термопара не может дать большое напряжение, но так как это простое соединение проводов, то можно набрать таких штуковин целую уйму и получить нечто стоящее.

Наиболее удачными материалами для термоэлектрического генератора считаются, согласно данным производителя, сочетания никель-нихром. Коэффициент Зеебека для них составляет 40 мкВ/К с рабочей температурой до 1000 К. Поэтому, похоже на то, что нагрев, как следует, свой приёмник, можно получить напряжение и до 40 мВ. Но если включить последовательно 50 термопар, то получается как раз 2 В, чего вполне достаточно для подогрева катодов электронных ламп. 120 В получаются включением 3000 термопар в единую цепочку.

Лампочка Ильича

Представленная на фото керосиновая лампа окружена абажуром термоэлектрического генератора разработана под руководством Иоффе. Это изделие постсталинских времён, датированное 1959 годом, позволяет одновременно слушать радио и записывать секретные сводки. Настоящий друг подпольного работника. Термоэлектрический генератор выдаёт напряжение для нагрева нитей накала амплитудой 1,5 В при силе тока 125 мА, а также питает все устройство напряжением 90 В при токе 12 мА.

XXI век

И вот приятная новость! В 2005 году Джейсон Хопкинс доказал, что КПД термоэлектрического генератора может быть приближен к идеальному. Так что нас всех ещё ждут новинки в этой области.

vashtehnik.ru


Смотрите также