Термоэлектрогенератор и способ его изготовления

Изобретение относится к термогенераторам, основанным на эффекте Зеебека, и может использоваться для электроснабжения необслуживаемых комплексов оборудования в труднодоступных районах. Технический результат - расширение диапазона рабочих температур, уменьшение занимаемой площади, снижение тепловых потерь. Сущность: теплоэлектрогенератор содержит последовательно соединенные металлическими проводниками ветви, разделенные изолирующими вставками и помещенные между электроизолированными горячим и холодным теплопроводами. Пластины, образующие ветви термопар, ориентированы в плоскости, параллельной тепловому потоку, разделены тонкими слоями высокотемпературного диэлектрика и соединены в последовательную цепь по торцевым поверхностям сваркой. Электрическая изоляция теплопроводов представлена оксидным слоем на их контактных поверхностях. В качестве материалов термопар предпочтителен выбор комбинации константан-хромель. При изготовлении термоэлектрогенератора металлические пластины собирают в пакет, чередуя разнородные металлы и прокладывая между ними слои диэлектрика, фиксируют стяжкой, выравнивают общую поверхность торцов. Проводят попарную сварку металлических пластин с использованием наплавляемого электрода на основе медного сплава. После этого шлифуют поверхности сварных швов до 5 класса шероховатости, покрывают теплопроводящей пастой и устанавливают между горячим и холодным теплопроводами. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к термоэлектрогенераторам, основанным на эффекте Зеебека и может использоваться для электроснабжения необслуживаемых комплексов оборудования в труднодоступных районах.

Принцип действия термоэлектрогенераторов основан на возникновении термоэдс в области контакта различных проводящих материалов, образующих ветви термопары. Исторически термоэлементы выполнялись из подобранных пар металлов, впоследствии замененных на полупроводники. Термоэлектрогенераторы привлекательны тем, что не содержат движущихся частей, для их функционирования требуется только источник тепла. Это качество позволяет использовать их там, где обслуживание предусматривается редко, например, на пунктах электрохимзащиты магистральных трубопроводов. В условиях труднодоступности приоритетное значение имеет надежность оборудования, достигаемая хотя бы за счет других показателей, в том числе кпд. Например, дизельные, бензиновые и газовые генераторы имеют кпд преобразования тепловой энергии в электричество на уровне 30-40%, в то время как термоэлектрогенераторы (ТЭГ) - на уровне единиц процентов. Тем не менее, ТЭГ находят все более широкое применение именно из-за потенциально более высокой надежности.

Потребительские характеристики ТЭГ оценивают коэффициентом добротности, связывающим поток тепла с вырабатываемой мощностью на единицу площади. Коэффициент добротности определяется в виде Z=α²/ρχ, где α - коэффициент Зеебека элементов термогенератора, мкВ/град, ρ - удельное сопротивление, мкОм⋅м, χ - теплопроводность, Вт/м⋅°К.

Коэффициент Зеебека составляет для разных материалов от десятков до сотен мкВ/град, в связи с этим для получения приемлемого напряжения приходится последовательно соединять сотни ветвей.

Типичная конструкция полупроводникового ТЭГ, приведенная на фиг. 1, содержит ряд прямоугольных полупроводниковых столбиков, спаянных в последовательную цепь посредством металлических проводников и помещаемых между электрически изолированными горячим и холодным теплоотводами.

Известен ряд ТЭГ, производимых ООО «Криотерм» специально для удаленных необслуживаемых пунктов [https://layothermtec.com/assets/dir2attz/solution_rus.pdf] и работающих на тепловой энергии сжигаемого газа. Модификации ТЭГ включают генераторы мощностью от 30 до 1000 Вт.

Технологии повышения эффективности ТЭГ постоянно развиваются. Однако серьезные достижения связаны с чрезвычайной трудоемкостью и высокой стоимостью. Сложность изготовления ТЭГ может быть проиллюстрирована патентами [RU 2624615], [RU 2518353], в которых приводятся последовательности десятков сложных технологических операций. Кроме того, несмотря на принимаемые меры, полупроводниковые ТЭГи не свободны от таких недостатков, как деградация характеристик вследствие диффузии составляющих элементов, воздействия кислорода воздуха и паров воды, термомеханических циклов. В связи с этим актуальной становится задача создания максимально надежных ТЭГ. Парадоксально, но в свете этих требований возникает реальная альтернатива возврата от полупроводниковых ТЭГов к металлическим, существовавшим еще в 19 веке. Несмотря на то, что у типичных металлических термопар коэффициент Зеебека в несколько раз меньше, чем у полупроводниковых, их диапазон рабочих температур без ущерба надежности может быть расширен настолько, что эта разница нивелируется. К тому же стоимость металлических материалов и производимых технологических операций во много раз меньше, чем стоимость полупроводниковых материалов и технологий.

Известен термоэлектрогенератор [RU 2131156], принимаемый за прототип, содержащий последовательно соединенные металлическими проводниками ветви, создающие эдс различающейся полярности, разделенные изолирующими вставками и помещаемые между электроизолированными горячим и холодным теплопроводами. В прототипе указанные ветви выполнены в виде тонких пластин (слоев), ориентированных в плоскости, перпендикулярной направлению потока тепла, как показано на фиг. 2. Эта конфигурация с налегающими друг на друга пластинами подразумевает способ их соединения путем спайки, о чем свидетельствует также наименование металлических проводников спаями. Данное обстоятельство ограничивает рабочую температуру генератора температурой плавления припоя. Пленарное расположение ветвей подразумевает нерациональное использование площади с точки зрения необходимости размещать сотни ветвей. Малая толщина планарной структуры подразумевает ее высокую теплопроводность, на фоне которой тепловые потери теплопроводов со слоями электроизоляции начинают играть существенную роль, снижая общий кпд.

Технический результат изобретения - расширение диапазона рабочих температур, уменьшение занимаемой площади, снижение тепловых потерь, а также уменьшение стоимости материалов и технологических операций.

Данный результат достигается тем, что теплоэлектрогенератор, содержащий последовательно соединенные металлическими проводниками ветви, создающие эдс различающейся полярности, разделенные изолирующими вставками и помещаемые между электроизолированными горячим и холодным теплопроводами, отличается тем, что в нем пластины, образующие ветви термопар, ориентированы в плоскости, параллельной тепловому потоку, разделены тонкими слоями высокотемпературного диэлектрика и соединены в последовательную цепь по торцевым поверхностям, причем в качестве материалов термопар предпочтителен выбор комбинации константан-хромель, торцевые поверхности соединены сваркой, а электрическая изоляция теплопроводов представлена оксидным слоем на их контактных поверхностях.

Данный результат достигается также тем, что при изготовлении ТЭГ металлические пластины собирают в пакет, чередуя разнородные металлы и прокладывая между ними слои диэлектрика, фиксируют стяжкой, выравнивают общую поверхность торцов и проводят их попарную сварку с использованием наплавляемого электрода на основе медного сплава, после чего шлифуют поверхности сварных швов до 5 класса шероховатости, покрывают теплопроводящей пастой и устанавливают между горячим и холодным теплопроводами.

Достижимость технического результата определяется следующим.

Выбор в качестве материала термопар сочетания константан-хромель соответствует наибольшему коэффициенту добротности для широко распространенных сплавов. При этом исключаются такие материалы с более высокой термоэдс, как сурьма (высокая хрупкость и ядовитость) и висмут (низкая температура плавления). Несмотря на то, что коэффициент Зеебека максимален для пары хромель-копель, различие в теплопроводности и электропроводности нивелирует коэффициенты добротности для двух пар хромель-константан и хромель-копель, однако копель значительно дороже чем константан, так что применение его можно считать необоснованным.

Сварка торцов пластин по сравнению с пайкой обеспечивает максимальную рабочую температуру и механическую прочность, имеющую значение в условиях температурных деформаций. Сплав на основе меди в процессе сварки хорошо сплавляется с пластинами, не приводя к образованию кратеров. Сварочный шов возвышается над поверхностью торцов, создавая условия для их шлифовки без занижения относительно исходной поверхности. Ориентация плоскостей пластин, образующих ветви термопар, параллельно направлению теплового потока уменьшает площадь, занимаемую единичным элементом, что существенно снижает габариты устройства. Такое расположение обеспечивает также простоту сепарации пластин прокладкой высокотемпературного диэлектрика, например, слюды или стеклоткани толщиной 0,1 мм. Поскольку по соображениям малости омического сопротивления и удобства сварки толщина металлических пластин должна составлять 0,7-1 мм, изолирующие слои ненамного увеличивают толщину пакета.

Оксидирование теплопроводов, которые обычно выполняются из алюминия, обеспечивает тепловой контакт при минимальной толщине электроизолирующего слоя. При типичной толщине оксида 20 мкм его тепловое сопротивление на порядок меньше теплового сопротивления ветвей термопар. Предпочтительно так называемое холодное оксидирование, отличающееся большей плотностью и прочностью покрытия. Предпочтительно также выполнять теплопровод из сплава АМг-2, обладающего относительно высокой теплопроводностью и температурной стойкостью. Нанесение теплопроводящей пасты устраняет воздушные промежутки, повышающие тепловое сопротивление. Экспериментально установлено, что отечественная паста КТП-8 сохраняет работоспособность по крайней мере до 480°С, а работоспособность отечественной смазки МС-1600 анонсируется до 1000°С. Использование импортных паст, имеющих теплопроводность более 1 Вт/м⋅°К (в частности, рекламируются пасты с теплопроводностью до 10 Вт/⋅°К), не представляется возможным, поскольку их заявленные рабочие температуры не превышают 200°С. Толщину зазора, заполняемого пастой, желательно иметь минимальной, порядка 10 мкм, с тем, чтобы тепловое сопротивление зазора составляло малую часть от теплового сопротивления пластин. В связи с этим предпочтительно проводить шлифовку торцов сваренных термопар до 5 класса шероховатости, характеризуемого высотой неровностей порядка 5 мкм. Более тщательная шлифовка избыточна. Помимо улучшения качества площади теплового контакта, паста допускает возможность скольжения контактирующих поверхностей, снижая механические нагрузки при изменениях температуры.

Расчет производительности термоэлектрогенератора проводится исходя из известных физических характеристик применяемых материалов.

Термоэдс пары константан-хромель составляет 2.95+3,4=6,35 мВ/100°К.

Удельное сопротивление последовательной пары константан-хромель составляет 0,5+0,68=1,18 мкОм⋅м.

Теплопроводность параллельной пары константан-хромель составляет в среднем 25+25=50 Вт/м⋅°К.

Рассмотрим сборку из пластин, имеющую характерные для полупроводниковых аналогов размеры 30×30 мм. Высоту сборки примем за 10 мм. При толщине пластин порядка 0,8 мм в сборке насчитывается 15 пар, создающих суммарную ЭДС, равную 6,35×15≈95 мВ/100°К. Если установить разность температур между теплоотводами порядка 400°К, ЭДС составит 95×4=380 мВ. Внутреннее сопротивление термоэлектрогенератора, равное сумме сопротивлений пластин, составит 0,007 Ом. Мощность, выделяемая в сопротивлении нагрузки, равном внутреннему сопротивлению, составит 4,92 Вт при токе 25,8 А. Для сопряжения с реальным потребителем необходимо последовательное соединение ряда индивидуальных сборок, так же как это делается во всех аналогах. Тепловая мощность, проходящая через термоэлектрогенератор при вышеуказанных условиях, составит 720 Вт.

Сравним эти характеристики с характеристиками серийно выпускаемой печи Индигирка» [https://teplo.guru/pechi/indigirka.html]. В ней объединены 24 термогенераторных сборки общей выходной мощностью 50 Вт при тепловой мощности 4000 Вт, или 2 Вт электрической мощности и 167 Вт тепла на одну сборку. Сравнение показывает, что предлагаемый генератор способен отдавать в нагрузку в 4,9/2=2,45 раз больше электроэнергии, потребляя тепла в 720/167=4,3 раза больше. При этом он обладает существенно меньшей себестоимостью и несравнимой надежностью.

Изобретение поясняется иллюстрациями фиг. 1-7. На фиг. 1 изображен типичный полупроводниковый генератор, содержащий множество последовательно соединенных столбиков. На фиг. 2 изображена структура термоэлектрогенератора по патенту [RU 2131156], взятому за прототип, с пленарными ветвями, ориентированными перпендикулярно направлению теплового потока. На фиг. 3-7 изображены стадии изготовления заявляемого термоэлектрогенератора с ветвями, ориентированными вдоль направления теплового потока: фиг. 3 - формирование пакета из чередующихся пластин константана и хромеля, разделяемых изолирующими прокладками, фиг. 4 - выравнивание торцевых поверхностей, фиг. 5 - сварка торцов с заливкой швов плавящимся электродом, фиг. 6 - шлифовка швов, фиг. 7 - установка теплопроводов.

Термоэлектрогенератор, как показано на фиг. 7, содержит последовательно соединенные металлическими проводниками 1, представленными сварными швами, ветви 2, 3, создающие эдс различающейся полярности, разделенные изолирующими вставками 4 и помещенные между электроизолированными горячим 5 и холодным 6 теплопроводами. При работе в составе генераторной установки холодный теплопровод сообщается с внешней воздушной средой или жидкостным охладителем, горячий теплопровод сообщается с источником тепла, например, газовой горелкой. Разность температур на концах ветвей вызывает термоэдс, создающую во внешней цепи ток, определяемый суммой внутреннего сопротивления ветвей и сопротивления нагрузки. Равенство указанных сопротивлений обеспечивает передачу во внешнюю цепь максимальной электрической мощности.

При изготовлении термоэлектрогенератора проводятся простые операции, не требующие дефицитных материалов и высоких технологий.

1. Теплоэлектрогенератор, содержащий последовательно соединенные металлическими проводниками ветви, создающие эдс различающейся полярности, разделенные изолирующими вставками и помещаемые между электроизолированными горячим и холодным теплопроводами, отличающийся тем, что в нем пластины, образующие ветви термопар, ориентированы в плоскости, параллельной тепловому потоку, разделены тонкими слоями высокотемпературного диэлектрика и соединены в последовательную цепь по торцевым поверхностям, причем в качестве материалов термопар предпочтителен выбор комбинации константан-хромель, торцевые поверхности соединены сваркой, а электрическая изоляция теплопроводов представлена оксидным слоем на их контактных поверхностях.

2. Способ изготовления термоэлектрогенератора по п. 1, отличающийся тем, что металлические пластины собирают в пакет, чередуя разнородные металлы и прокладывая между ними слои диэлектрика, фиксируют стяжкой, выравнивают общую поверхность торцов и проводят их попарную сварку с использованием наплавляемого электрода на основе медного сплава, после чего шлифуют поверхности сварных швов до 5 класса шероховатости, покрывают теплопроводящей пастой и устанавливают между горячим и холодным теплопроводами.