| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2230397
ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНІ БАТАРЕЯ
Ім'я винахідника: Тереков А.Я. (RU); Ржевський В.М. (RU); Ханін Є.В.
Ім'я патентовласника: Федеральне державне унітарне підприємство Науково виробниче підприємство "Квант"
Адреса для листування: 129626, Москва, 3-тя Митищинському, 16, НПП "Квант", патентний відділ
Дата початку дії патенту: 2002.10.28
Використання: в області прямого перетворення теплової енергії в електричну. Сутність: термоелектрична батарея містить вакуумно-щільний захисний чохол з гермовиводамі, всередині якого розміщені термоелементи, відокремлені від стінок чохла з гарячою і холодною теплообмінними поверхнями електроізоляційними переходами. Стінки чохла, по крайней мере, з боку однієї з теплообмінних поверхонь виконані багатошаровими. У зазор між багатошаровими стінками чохла введений компенсатор різновисотних термоелементів. По крайней мере, на одну поверхню, звернену до компенсатора, нанесено антидифузійним покриття. Термоелементи забезпечені фіксатором їх положення щодо бічної стінки чохла. Компенсатор різновисотних виготовлений з пластичного теплопровідного матеріалу, наприклад свинцю, олова, міді, срібла, алюмінію, титану і сплавів на їх основі. Антидифузійним покриття виконано з нітриду титану. Зазор між стінками чохла в разі застосування окислюються компенсаторів, наприклад титану, виконаний герметичним. Для захисту від продуктів сублімації напівпровідникових матеріалів конструкції чохла його внутрішня поверхня з гарячою боку забезпечена антикорозійним покриттям, виконаним з титану, алюмінію, ренію, молібдену, вольфраму і сплавів на їх основі. Фіксатор горизонтального положення термоелементів виконаний у вигляді скоби, виготовленої з діелектричного матеріалу, наприклад слюди. Технічний результат: підвищення ресурсу і питомих енергетичних характеристик батареї.
ОПИС ВИНАХОДИ
І зобретеніе відноситься до області прямого перетворення теплової енергії в електричну, а саме до конструкції електрогенеруючій термоелектричної батареї, забезпеченою герметичним захисним чохлом, що оберігає напівпровідникові матеріали термоелементів від взаємодії з киснем повітря.
Відома термоелектрична батарея, яка містить вакуумно-щільний тонкостінний металевий чохол з гермовиводамі, всередині якого розміщені термоелементи [1].
Проте відома конструкція чохла не дозволяє підвищити питомі енергетичні характеристики ТЕБ за рахунок збільшення зусилля поджима її до теплообмінника (зусилля одностороннього стиснення), так як конструкція чохла не володіє необхідною надійністю в робочих умовах при підвищенні поджима, і відбувається руйнування чохла в зоні контакту з теплоприемником, тобто в районі теплообмінної поверхні з гарячою боку.
Найбільш близькою по технічній сутності і конструктивним виконанням до даного технічного рішення є герметизована термоелектрична батарея, яка містить тонкостінний вакуумно-щільний захисний чохол з гермовиводамі, всередині якого розміщені термоелементи, з'єднані в термобатарей, відокремлену від теплообмінних поверхонь чохла електроізоляційними теплопереходамі [2].
Однак і це відоме технічне рішення не забезпечує підвищення ресурсних і питомих енергетичних характеристик ТЕБ шляхом підвищення зусилля одностороннього стиснення термобатареи через недостатню надійність чохла.
З метою усунення цього недоліку, тобто для підвищення ресурсу чохла і питомих енергетичних характеристик термобатареи, стінки захисного чохла, принаймні з боку однієї з теплообмінних поверхонь виконані багатошаровими. У зазор між багатошаровими стінками чохла введений компенсатор різновисотних термоелементів, виконаний з пластичного теплопровідного матеріалу на основі міді, срібла, алюмінію, титану або їх сплавів, і, по крайней мере, на одну зі стінок чохла, звернену до компенсатора різновисотних, нанесений Антидифузійний бар'єр, виконаний з нітриду титану, нікелю, хрому, а зазор між багатошаровими стінками чохла виконаний вакуумно-щільним, причому внутрішня поверхня захисного чохла з гарячою боку забезпечена антикорозійним покриттям, виконаним з титану, алюмінію, ренію, молібдену, вольфраму або їх сплавів, при цьому всередину чохла введений фіксатор положення термоелементів щодо його бічних стінок, виконаний у вигляді скоби з термостійкого діелектричного матеріалу, наприклад слюди, нітриду бору.
 |
Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленням, де 1 - стінка захисного чохла з боку холодної теплообмінної поверхні термоелементів термобатареи, 2 - електроізоляційні теплопереходи, 3 - термоелементи термобатареи, 4 - фіксатор положення термоелементів (скоба), 5 - зварене з'єднання стінок чохла, 6 - зварювання подвійного чохла, 7 - багатошаровий чохол (на кресленні показано два шари) з боку гарячої теплообмінної поверхні термобатареї, 8 - компенсатор різновисотних термоелементів, 9 - зовнішній електроізоляційний теплопереход термобатареи, 10 - антидифузійним покриття на одній з поверхонь захисного чохла, 11 - антикорозійне покриття внутрішньої поверхні стінки чохла, зверненої до тЕРМОЕЛЕМЕНТІВ термобататреі, Т х - холодна термопара, яка вимірює температуру радіатора, тобто холодної теплообмінної боку термобатареї, Т г - гаряча термопара, яка вимірює температуру теплоприемника, тобто гарячої теплообмінної боку термобатареї, Р - зусилля одностороннього стиснення термобатареи (стрілкою показано його напрямок). |
Термоелектрична батарея запропонованої конструкції складається з термоелементів, розміщених всередині герметичного чохла (поз.1 і 6) і електрично ізольованих від холодної та гарячої теплообмінних поверхонь чохла за допомогою діелектричних теплопереходов (поз.2), виготовлених, наприклад, з природного слюди. Слюда забезпечує необхідний рівень електричної ізоляції при нагріванні до 600ºС, при більш високих температурах на теплоприемник, вимірюваних гарячої термопарою (Т г), використовується кераміка на основі окису алюмінію. Для організації оптимального теплообміну термобатареи з теплообмінником і радіатором вона піджимається до останніх із зусиллям, що становить десятки кг / см 2. Так, наприклад, для среднетемпературних термобатарей, виготовлених з напівпровідникових матеріалів на основі теллуридов свинцю і германію, зусилля одностороннього стиснення ТЕБ (тобто притиск до теплообмінника і радіатора) становить 20-60 кг / см 2 в залежності від температури експлуатації. Робочі (експлуатаційні) характеристики термоелектричних батарей відрізняються від розрахункових в значній мірі, і обумовлено це розбіжність цілим рядом причин. Одна з яких полягає в значному термічному опорі ділянки теплової ланцюга між теплоприемником і термоелементами термобатареи. Обумовлено це деякою різновисотних і не плоско-паралллельностью термоелементів. Але навіть якщо і забезпечити їх висоту і плоско-паралельність з ідеальною точністю, то і тоді виникають термічні втрати на цій ділянці теплообміну через термічну деформації (вигину) термоелементів під впливом градієнта температури, спрацьовує на термоелементах. При цьому підтиск термоелементів не однаковий і відбувається зростання внутрішнього опору тих термоелементів, відривні зусилля в яких не компенсовані спрямованим назустріч їм зусиллям притиску, що призводить до деградації енергетичних характеристик ТЕБ в експлуатації. Тому з метою підвищення надійності ТЕБ при одночасному підвищенні їх питомих енергетичних характеристик в зазор між стінками подвійного чохла (поз.7) введено компенсатор різновисотних термоелементів (поз.8), виконаний з пластичних матеріалів з хорошою теплопровідністю, наприклад міді, срібла, алюмінію, титану , а для нижчих температур - зі свинцю, олова або їх сплавів. Експериментальна перевірка запропонованого технічного рішення представлена в таблиці, з якої видно, що подвійний чохол в поєднанні з компенсатором дозволяє отримати поліпшені (на 10-12%) енергетичні характеристики ТЕБ в порівнянні з аналогом. В процесі ресурсних випробувань запропонованої конструкції ТЕБ встановлено, що вдалося істотно збільшити її надійність. Так, наприклад, при проведенні найбільш жорстких циклічних випробувань виявлено, що стійкість до термоциклов ТЕБ запропонованої конструкції зросла в кілька разів і становить 2000 термоциклов при збереженні енергетичних характеристик ТЕБ та герметичності чохла.
Додатковим чинником, що знижує надійність (термін служби) ТЕБ, є взаємодія матеріалу чохла з продуктами сублімації напівпровідникових матеріалів, з яких виготовлені термоелементи, наприклад телуром. Як показали дослідження, телур активно взаємодіє з матеріалом захисного чохла, виготовленого з нержавіючої сталі, наприклад марки Х18Н9Т, або з нікелю. Для усунення цього недоліку поверхню чохла, звернена до ТЕРМОЕЛЕМЕНТІВ, забезпечена антикорозійним покриттям, виконаним, наприклад, з титану і нанесеним за допомогою плазмотрона товщиною 0,020-0,030 мм. Залежно від технології виробництва і умов експлуатації антикорозійне покриття може бути виконане і з інших рівноцінних матеріалів, наприклад алюмінію, ренію, молібдену, вольфраму і сплавів на основі ренію з молібденом і ренію з вольфрамом.
Для запобігання зниженню надійності (терміну служби) термобатареи через горизонтального зміщення термоелементів щодо електроізоляційного теплоперехода (2) всередину чохла введений фіксатор (4) положення термоелементів, який перешкоджає їх зміщення в бік бічної стінки чохла (1, 7). Таке зміщення призводить в процесі експлуатації до пробою ізолятора (2) і виходу термобатареи з ладу.
Фіксатор (4) виконаний у вигляді скоби, виготовленої з термостійкого діелектричного матеріалу, наприклад слюди, нітриду бору, що володіють малим газо- і влагопоглощенієм, що дозволяє розміщувати фіксатор в вакууміруемом просторі всередині чохла, де знаходяться напівпровідникові термоелементи, в той же час ці матеріали не взаємодіють з продуктами сублімації напівпровідника і, як показали випробування, зберігають механічні властивості в процесі багаторічної експлуатації.
 |
У разі виконання компенсатора (8) з легко окислюється на повітрі матеріалів, наприклад міді, титану, зазор між багатошаровими стінками чохла робиться вакуумно-щільним. Для цього зовнішній чохол піджимається через компенсатор до внутрішнього чохла, наприклад, за допомогою струбцини і в зоні контакту консольної частини обидва чохла герметично зварюються між собою, по всьому периметру, наприклад, за допомогою роликового електрозварювання (6). Потім в процесі технологічної операції по видаленню з напівпровідника термоелементів пластифікатора і відкачування з внутрішньої порожнини чохла кисню повітря при температурі 450-650ºС відбувається деформація компенсатора (8) під впливом зусилля одностороннього стиснення і температури з одночасною дифузійної зварюванням його зі стінками багатошарового чохла (7) через Антидифузійний бар'єр (10). Температура дифузійної зварювання зазвичай перевершує температуру експлуатації термобатареи на 100-150ºС і триває 10-15 хвилин. При цьому одночасно відбувається дифузійна зварювання компенсатора (8) з зовнішнім шаром багатошарового чохла (7). Застосування антидифузійного бар'єру тут необов'язково, так як дифузія матеріалу компенсатора спрямована в бік, протилежний по відношенню до ТЕРМОЕЛЕМЕНТІВ. Такий технологічний режим виготовлення і вибір матеріалу компенсатора забезпечує мінімум теплових втрат між компенсатором (8) і стінками чохла за рахунок зварювання і в той же час виключає наскрізну дифузію матеріалу компенсатора (8) через стінку чохла при робочій температурі. |
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ
1. White AH Thermoelectric assembly with heath sink (Texas Instruments Inc.) Пат. № 3269875, кл.136-212, від 02.06.61, опубл. 30.08.66.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Термоелектрична батарея (ТЕБ), що містить вакуумно-щільний захисний чохол з гермовиводамі, всередині якого розміщені термоелементи, відокремлені від стінок чохла з гарячою і холодною сторін теплообмінних поверхонь електроізоляційними теплопереходамі, що відрізняється тим, що стінки захисного чохла, по крайней мере, з боку однією з теплообмінних поверхонь виконані багатошаровими, в зазор між багатошаровими стінками чохла введений компенсатор різновисотних термоелементів, а, по крайней мере, на одну поверхню чохла, звернену до зазначеного компенсатора, нанесено антидифузійним покриття, причому термоелементи забезпечені фіксатором положення щодо бічної стінки чохла.
2. Термоелектрична батарея по п.1, що відрізняється тим, що компенсатор різновисотних виконаний з пластичного теплопровідного матеріалу, наприклад, свинцю, олова, міді, срібла, алюмінію, титану або сплавів на їх основі.
3. Термоелектрична батарея по п.1, що відрізняється тим, що нанесене на одну зі стінок захисного чохла антидифузійним покриття виконано з нітриду титану.
4. Термоелектрична батарея по п.1, що відрізняється тим, що зазор між стінками чохла з розміщеним в ньому компенсатором виконаний герметичним.
5. Термоелектрична батарея по п.1, що відрізняється тим, що внутрішня поверхня захисного чохла з гарячою боку забезпечена антикорозійним покриттям, виконаним з титану, алюмінію, ренію, молібдену, вольфраму і сплавів на їх основі.
6. Термоелектрична батарея по п.1, що відрізняється тим, що фіксатор положення термоелементів виконаний у вигляді скоби з діелектричного матеріалу, наприклад, слюди.
Версія для друку
Дата публікації 13.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.