Монолитная генераторная термоэлектрическая батарея
Монолитная генераторная термоэлектрическая батарея, содержащая расположенные в чередующемся порядке множество термоэлектрических элементов p-типа и множество термоэлектрических элементов n-типа, средство изоляции упомянутых термоэлектрических элементов, коммутирующие тонкопленочные электроды, электрически соединяющие верхние и нижние стороны соответствующих термоэлектрических элементов с возможностью образования последовательной электрической цепи, концами соединенной с тонкопленочными электродами выходных шин, имеющих контакты для подключения выводных проводников, отличающаяся тем, что она снабжена монолитноскрепляющим средством, а средство изоляции термоэлектрических элементов выполнено в виде арматурного решетчатого каркаса, собранного из скрепленных между собой стеклотекстолитовых планок первого, второго, третьего, четвертого и пятого видов с возможностью образования объемной матричной структуры в виде полой коробки с боковыми внешнеоребренными стенками и внутренней решетчатой полостью, образованной из сквозных объемных матричных ячеек для размещения термоэлектрических элементов p- и n-типов, при этом каждая стеклотекстолитовая планка выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего две узкие торцевые грани, две узкие боковые грани и две широкие боковые грани, а средство соединения упомянутых планок между собой выполнено в виде группы соединительных несквозных прорезей, размещенных в широких боковых гранях параллельно коротким узким торцевым граням с шагом равным ширине ячейки решетчатой полости, причем четыре планки первого вида соединены прорезями, выполненными с одной длинной стороны каждой, и образуют четыре боковые стороны упоминаемой полой коробки объемной матричной структуры, а планка второго вида, выполненная с длинной выемкой поверх соединительных пазов одной стороны и двумя короткими выемками с противоположной стороны, установлена первой внутри упомянутой полой коробки, а следующей параллельно установлена планка третьего вида, выполненная с длинной выемкой по одной стороне и двумя посадочными прорезями с противоположной стороны, следующей установлена планка четвертого вида, выполненная в виде зеркально отраженного изображения планки третьего вида, при этом третий и четвертый виды планок устанавливают в чередующемся порядке в равном четном количестве, а перпендикулярно планкам первого, второго, третьего и четвертого видов установлены в нечетном количестве планки шестого вида с возможностью образования множества сквозных объемных матричных ячеек внутренней решетчатой полости арматурного решетчатого каркаса, при этом каждый термоэлектрический элемент n- и p-типа размещен в соответствующей объемной матричной ячейке с возможностью образования множества спеченных монокристаллических термоэлектрических элементов n и p типов, монолитно соединенных со стенками соответствующих объемных матричных ячеек арматурного решетчатого каркаса, а каждый из коммутирующих тонкопленочных электродов размещен поверх упомянутых спеченных кристаллов в соответствующих электрическим соединениям объемных матричных ячейках, причем совокупность коммутирующих тонкопленочных электродов образует коммутирующее покрытие в виде геометрического мозаичного рисунка, например, в виде кирпичной кладки, при этом монолитноскрепляющее средство выполнено в виде керамического тонкопленочного мозаичного покрытия лицевой и обратной сторон батареи, состоящего из элементов мозаики в виде керамических тонкопленочных элементов, например, в виде прямоугольных плиток, размещенных на каждой стороне батареи поверх коммутирующих тонкопленочных элементов в соответствующих объемных матричных ячейках объемной матричной структуры с возможностью образования мозаичного рисунка, повторяющего геометрический мозаичный рисунок коммутирующих тонкопленочных электродов, причем в двух противолежащих угловых матричных ячейках внутренней решетчатой полости объемной матричной структуры размещены поверх спеченных кристаллов тонкопленочные электроды выходных шин, напротив которых в двух противолежащих планках первого вида выполнены внешние окошки, в которых размещены разделенные стеклотекстолитовой прокладкой по паре U-образных контактов для подключения выводных проводников, при этом одна пара контактов является рабочей, а другая пара контактов является резервной, при этом внешнеоребренные стенки батареи выполнены с нанесенным на них слоем жароупочняющей эмали, например, огнезащитной кремнийорганической термостойкой эмалью.
Настоящее изобретение относится к устройствам прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, а именно, к термоэлектрическим приборам, основанным на эффекте Зеебека, в частности, к конструкции монолитной генераторной термоэлектрической батареи. Изобретение может быть использовано в различных термоэлектрических устройствах, в частности, в резервных термоэлектрических генераторах постоянного тока, применяемых в экстремальных погодных условиях, например, труднодоступных районах Земли со сложными метеоусловиями: резкими перепадами температуры, давления, влажности, магнитными бурями. Заявляемое термоэлектрическое устройство, в котором тепловая энергия преобразована в электрическую энергию, является эффективным средством использования тепловой энергии, например, теплоты сжигания газового углеводородного топлива, и представляет собой безальтернативный источник электроэнергии в сфере обслуживания аппаратуры контроля состояния газовых трубопроводов, проходящих в географически сложных и удаленных местностях с резкими и жесткими изменениями метеоусловий.
Широко известны различные конструкции генераторных термоэлектрических батарей (далее - ТБГ). Для данного уровня техники известных конструкций ТБГ актуальным является решение ряда конструктивных технических проблем, связанных с совершенствованием конструкции батареи в целом, а также и ее элементов. Так, в недостаточной степени решены проблемы по преждевременному выходу ТБГ из строя из-за несовершенства конструкции и деградации свойств основных элементов конструкции ТБГ. Как правило, в известных конструкциях ТБГ имеются следующие недостатки: они сложны, дороги и нетехнологичны в изготовлении, имеют высокую себестоимость, не обладают достаточно высокой надежностью, влагостойкостью и прочностью при длительной эксплуатации в жестких условиях окружающей среды, не обеспечивают при высокой плотности термоэлементов достаточную эффективность выходных параметров и длительный безаварийный ресурс эксплуатации.
Например, известна термоэлектрическая батарея, включающая ветви p- и n- проводимости, соединенные коммутационными шинами, и теплопереходы, выполненные из металлической фольги, на поверхность которой нанесена оксидная пленка(Авт.св. СССР 
409456, кл. Н01L 35/32, 1973). Недостатком известной конструкции является преждевременный выход ее из строя и быстрое разрушение из-за невысокой прочности теплопереходов, что препятствует ее применению в устройствах, использующихся при значительном давлении рабочей среды, контактирующими с теплопереходами, и значительно снижает срок ее эксплуатации.
Известна другая термоэлектрическая батарея (Патент РФ 2142177, Мкл. Н01L 35/02, опубл. 27.11.1999), конструкция которой позволяет повысить срок ее службы путем повышения прочности теплопереходов при одновременном обеспечении ее средствами снижения термических напряжений. Эта известная конструкция термоэлектрической батареи содержит полупроводниковые ветви p- и n- проводимости, соединенные коммутационными шинами, токоподводы и металлические теплопереходы толщиной 0,5-6 мм из алюминия, или алюминия с нанесенной на него оксидной пленкой толщиной 3-150 мкм или из меди со слоем диэлектрического материала. Повышение прочности теплопереходов обеспечено за счет выполнения их из металла, например, алюминия толщиной 0,5-6 мм. При этом значительно увеличивается вес устройства, а также возникает проблема компенсации термических напряжений, которую частично решают за счет введения средства компенсации термических напряжений, выполненного в виде расположенного между коммутационными шинами и теплопереходами слоя теплопроводного эластичного электроизоляционного материала (например, резины, клея, силиконового герметика). Таким образом выполнение металлических теплопереходов толщиной 0,5-6 мм позволяет повысить только внешнюю прочность термоэлектрической батареи, но увеличивает общий вес и склонность к разрушению внутренних частей конструкции: термоэлементов и мест их соединений с другими элементами. Кроме того конструкция имеет существенные недостатки, обусловленные тенденцией к ухудшению рабочих характеристик из-за ее низкой коррозионной стойкости в атмосфере высокой влажности, что снижает надежность ее использования и указывает на невозможность ее работы без герметизирующей оболочки, заполненной инертным газом с целью предохранения коммутации батареи от окисления. Это ведет к усложнению конструкции и увеличению веса и стоимости изделия при неэффективных технических характеристиках.
Известна конструкция термоэлектрического модуля по патенту РФ 2178221, (Патент РФ 2178221, Мкл. Н01L 35/32, опубл. 10.01.2002.), в которой несколько увеличены прочность и влагостойкость за счет того, что каждый термоэлектрический элемент снабжен пленкой изолирующего материала. Устройство по этому патенту 2178 221 содержит термоэлектрические элементы p- и n- типов, которые распложены в чередующемся порядке и электрически соединены электродами, предусмотренными на верхней и нижней стороне каждого термоэлектрического элемента, керамическую пластину теплообменника, которая закреплена на электродах на каждой стороне устройства. Каждый термоэлектрический элемент покрыт пленкой изолирующего материала из полиимида по всей поверхности за исключением торцевых сторон, предназначенных для контакта с коммутирующими электродами. Пленка изолирующего материала обеспечивает защиту от коррозии только тех поверхностей, на которых присутствует пленка. При этом верхние и нижние торцевые стороны термоэлементов, являющиеся местом крепления термоэлементов, электродов и пластины теплообменника, не покрыты пленкой. Вследствие этого указанное место крепления (область соединения термоэлементов, электродов и теплообменника) подвержено коррозии и разрушению в атмосфере высокой влажности, что значительно снижает надежность эксплуатации всего устройства. Кроме этого снижение прочности изделия происходит из-за низкой стойкости к ударным воздействиям пластинчатых керамических теплопереходов, например, толщиной 0,86 мм. Еще одним недостатком этой конструкции являются существенные ограничения по возможности миниатюризации устройства и делает практически невозможной сборку изделия с большим количеством и высокой плотностью термоэлементов, поскольку конструкция предусматривает изготовление и сборку устройства из отдельных элементов.
Известны конструкции термоэлектрического устройства, обеспечивающие высокую плотность термоэлементов, например, известен термоэлектрический модуль (Патент РФ2325731, Мкл. Н01L 35/28, опубл. 27.05.2008), содержащий полупроводниковые термоэлементы p и n типов проводимости, покрытые тонким слоем электрически прочного диэлектрика, склеенные в матрицу из трех типов многослойных блоков. Конструкция этого технического решения предусматривает изготовление устройства путем склеивания в три блока покрытых прочным диэлектриком пластин p и n типов проводимости. Причем в первом блоке склеивают равное количество пластин p и n типов в чередующемся порядке. Второй блок содержит количество пластин p типа меньше на единицу, чем первый блок, и диэлектрический брусок с металлизацией двух граней. Третий блок содержит количество пластин n типа, меньшее на единицу, чем первый блок, и диэлектрический брусок с металлизацией двух граней. Блоки разрезают на пластины в перпендикулярном слоям направлении, покрывают слоем электрически прочного диэлектрика и склеивают в матрицу. Матрица включает четное количество пластин из первого блока, половина из которых развернута и установлена через одну. На краях приклеивают по одной пластине, полученной разрезанием второго и третьего блоков. Шлифуют грани матрицы. Коммутируют термоэлементы и металлизацию диэлектрических элементов путем формования на гранях матрицы коммутационных шин. К граням матрицы приклеивают диэлектрические пластинки с установленными на одной из них токовводами. Коммутируют металлизацию диэлектрических элементов с токовводами. При этом боковые грани термоэлементов покрывают слоем электрически прочного диэлектрика, например, полиимида, что гарантирует отсутствие электрических контактов между боковыми гранями термоэлементов. Кроме того, толщина слоя клеющего материала (например, Эластосила 187) между термоэлементами выполнена минимально возможной толщины, обеспечивающей только склеивание термоэлементов и не выполняет функцию электроиэоляции.
В этой конструкции обеспечена высокая плотность термоэлементов. Однако известная конструкция достаточно сложная, чрезвычайно дорогая и технологически усложнена необходимостью использования дорогостоящего режущего и шлифующего оборудования. Также недостатком этой конструкции является наличие большого процента брака из-за малейшей неточности реза брусков и возможном образовании смещенных относительно друг друга линий реза, а также из-за того, что при склеивании пластин возможно касание пластин, приводящее к короткому замыканию термоэлементов. Еще одним недостатком этой конструкции является большой расход дорогостоящего полупроводникового материала при шлифовке, а также то, что при склеивании брусков возможно их соприкосновение со смещением, что приводит к возникновению электрических контактов между боковыми поверхностями термоэлементов, что существенно снижает эффективность технических характеристик всего устройства из-за невозможности получения необходимых выходных параметров.
Одним из решающих факторов надежности получения необходимых выходных параметров термоэлектрического устройства являются конструктивные особенности ее термоэлектрических элементов, свойства которых во многом зависят от особенностей их изготовления, то есть от удачно выбранной для конкретных целей физической формы термоэлементов. Известна конструкция термоэлемента (патент РФ 2030815, Н01L 35/32, опубл. 03.10.1995 и патент РФ 2177190, H01L 35/34, оп.20.12.2001) с высокой механической прочностью и отличными термоэлектрическими свойствами, полученными за счет того, что он изготовлен из спеченного тела кристалла термоэлектрического элемента, в котором можно значительно уменьшить образование трещин и сколов по сравнению со случаем получения термоэлектрических элементов путем их непосредственной вырезки из кристаллов. Однако в этой конструкции термоэлементов присутствуют разрушающие остаточные напряжения (приводящие к возникновению трещин при эксплуатации), поскольку в процессе изготовления термоэлементов заготовку в виде спеченного стержня из термоэлектрического материала подвергают деформирующим обработкам (волочение, прокатка, обжим, резка) для изготовления из нее отдельных термоэлементов. В заявляемом изобретении ставится задача по устранению остаточных деформирующих напряжений в отдельных элементах с целью исключения вероятности появления трещин в термоэлементах, за счет чего происходит повышение надежности получения необходимых выходных параметров термоэлектрического устройства и увеличения безаварийного ресурса работы устройства в целом.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является конструкция термоэлектрического модуля (Патент РФ 2325731, М.кл. Н01L 35/28, опубл. 27.07.2001), содержащая блок термоэлементов, имеющий две соединительные торцевые поверхности, на которых расположено регулярно через изолирующий слой и зафиксировано множество стержнеобразных элементов из термоэлектрических полупроводников n и p типов, и обе торцевые поверхности каждого из стержнеобразных элементов оголены, соединительный проводник, соединяющий каждую торцевую поверхность стержнеобразных элементов пир типа на каждой соединительной торцевой поверхности блока термоэлементов для их последовательного соединения, и пару выводных проводников, предусмотренных на одной поверхности, исключая торцевые поверхности блока термоэлементов. Конструкция этого технического решения предусматривает изготовление устройства следующим путем: в бруске термоэлектрического материала p типа проводимости и в бруске термоэлектрического материала n типа проводимости делают серию канавок, затем названные бруски склеивают так, чтобы выступы между канавками одного бруска вошли в канавки другого бруска. После этого сошлифовывают массивные части обоих брусков до канавок, в результате чего получают блок, содержащий чередующиеся слои термоэлектрического материала пир типов. Блок разрезают на пластины в направлении, перпендикулярном слоям. Полученные пластины склеивают, в результате чего получают матрицу из чередующихся термоэлементов n и p типов. Средством изоляции термоэлементов является электроизолирующая смола на основе эпоксисоединения термореактивного типа с низкой вязкостью при нормальной температуре, выполняющая также склеивающие функции. Коммутируют элементы полученной матрицы путем формирования коммутационных шин методом напыления с использованием фотолитографии на гранях матрицы, на которые выходят все термоэлементы. На боковой поверхности матрицы методом вакуумного напыления формируют токовыводящие шины. Недостатками данной известной конструкции термоэлектрического устройства являются следующие. Эта конструкция чрезвычайно сложная, дорогая и технологически усложнена необходимостью использования дорогостоящего режущего и шлифующего оборудования. Также недостатком этой конструкции является наличие большого процента брака из-за малейшей неточности реза брусков и возможном образовании смещенных относительно друг друга линий реза, а также из-за того, что при склеивании брусков возможно их смещение и касание, приводящее к короткому замыканию термоэлементов. Еще одним недостатком этой конструкции является большой расход дорогостоящего полупроводникового материала при шлифовке, а также то, что при склеивании брусков и пластин возможно их смещение, что приведет к возникновению электрических контактов между боковыми поверхностями термоэлементов, а это существенно снизит эффективность всего устройства. Поскольку термоэлементы получают исключительно вырезанием из массивного образца, то воздействующие при этом деформирующие силы процессов резки и шлифовки оставляют в хрупком материале термоэлементов остаточные напряжения, которые при эксплуатации проявятся в виде трещин и разрывов термоэлементов, а в дальнейшем при эксплуатации приведут к преждевременному выходу устройства из строя и быстрое его разрушение из-за невысокой прочности термоэлементов, что препятствует применению этой конструкции в устройствах, использующихся при значительных перепадах давления и влажности рабочей среды и значительно снижает срок эксплуатации, надежность и прочность устройства в целом. Устройство также недостаточно герметично. Кроме того схема коммутации термоэлементов сложна и нетехнологична потому, что в матрице термоэлементы расположены рядами одного типа проводимости.
Таким образом, технический уровень на данный момент времени показывает, что известные конструкции термоэлектрических устройств сложны и недостаточно технологичны в изготовлении, имеют высокую себестоимость, не обладают достаточно высокой надежностью, влагостойкостью и прочностью при длительной эксплуатации в жестких условиях окружающей среды, из-за недостаточной герметичности не обеспечивают достаточно высокую стабильность рабочих характеристик, конструктивно не решена проблема исключения деформирующих напряжений в структуре термоэлементов для получения эффективных выходных параметров.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, состоит в создании высоконадежной оригинальной монолитной генераторной батареи, конструкция которой отличается от известных решений оригинальностью и простотой технического решения с высоким ресурсом безаварийной работы в жестких климатических условиях, простой технологией и невысокой стоимостью изготовления, влагостойкостью и прочностью при длительной эксплуатации в жестких условиях окружающей среды, высокой степенью герметичности при монолитной структурной прочности термоэлементов, коммутирующих электродов, средств изоляции и в целом всего устройства, а также конструктивным исключением возможности появления деформирующих напряжений в структуре термоэлементов для обеспечения получения эффективных выходных параметров при эксплуатации устройства в жестких метеоусловиях.
При создании конструкции заявляемого устройства для решения поставленных задач разработанное техническое решение должно обладать:
- оптимальной компактностью, технологичностью и простотой конструкции с жесткими ограничениями по массе, габаритам и техническим параметрам;
- конструктивной обеспеченностью сохранения стабильности рассчитанных свойств термоэлектрических полупроводниковых элементов и соединяющих электродов за счет исключения деформирующих воздействий при изготовлении и эксплуатации;
- обеспеченностью герметичной монолитности всего изделия;
- конструктивной обеспеченностью трещиностойкости и влагонепроницаемости как внешних так и внутренних элементов конструкции устройства;
- обеспечение высокой плотности термоэлементов;
-обеспечение надежной и удобной схемы коммутации термоэлементов устройства;
- обеспечение безаварийного длительного ресурса работы;
- повышение эффективности получения стабильновысоких выходных параметров при эксплуатации в режимах жестких метеоусловий;
- повышение жаропрочности и пожаростойкости устройства.
Предлагается монолитная термоэлектрическая генераторная батарея, содержащая расположенные в чередующемся порядке множество термоэлектрических элементов p-типа и множество термоэлектрических элементов n-типа, средство изоляции упомянутых термоэлектрических элементов, коммутирующие тонкопленочные электроды, электрически соединяющие теплопоглощающие и тепловыделяющие стороны соответствующих термоэлектрических элементов с возможностью образования последовательной электрической цепи, концами соединенной с тонкопленочными электродами выходных шин, имеющих контакты для подключения выводных проводников.
Достижение указанных технических результатов обеспечивается за счет того, что она снабжена монолитноскрепляющим средством, а средство изоляции термоэлектрических элементов выполнено в виде арматурного решетчатого каркаса, собранного из скрепленных между собой стеклотекстолитовых планок первого, второго, третьего, четвертого и пятого видов с возможностью образования объемной матричной структуры в виде полой коробки с боковыми внешнеоребренными стенками и внутренней решетчатой полостью, образованной из сквозных объемных матричных ячеек для размещения термоэлектрических элементов p- и n- типов, при этом каждая стеклотекстолитовая планка выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего две узкие короткие торцевые грани, две узкие длинные боковые грани и две длинные широкие боковые грани, а средство соединения упомянутых планок между собой выполнено в виде группы соединительных несквозных прорезей, размещенных в широких боковых гранях параллельно коротким узким торцевым граням с шагом равным ширине ячейки решетчатой полости, причем четыре планки первого вида соединены прорезями, выполненными с одной длинной стороны каждой, и образуют четыре боковые стороны упомянутой полой коробки объемной матричной структуры, а планка второго вида, выполненная с длинной выемкой поверх соединительных пазов одной стороны и двумя короткими выемками с противоположной стороны, установлена первой внутри упомянутой полой коробки, а следующей параллельно установлена планка третьего вида, выполненная с длинной выемкой по одной стороне и двумя посадочными прорезями с противоположной стороны, следующей установлена планка четвертого вида, выполненная в виде зеркально отраженного изображения планки третьего вида, при этом третий и четвертый виды планок устанавливают в чередующемся порядке в равном четном количестве, а перпендикулярно планкам первого, второго, третьего и четвертого видов установлены в нечетном количестве планки шестого вида с возможностью образования множества сквозных объемных матричных ячеек внутренней решетчатой полости арматурного решетчатого каркаса, при этом каждый термоэлектрический элемент n- и p- типа размещен в соответствующей объемной матричной ячейке с возможностью образования множества спеченных монокристаллических термоэлектрических элементов n и p типов, каждый из которых монолитно соединен со стенками соответствующих объемных матричных ячеек арматурного решетчатого каркаса, а каждый из коммутирующих тонкопленочных электродов размещен поверх каждого из упомянутых монокристаллических спеченных термоэлектрических элементов в соответствующих электрическим соединениям объемных матричных ячейках, причем совокупность коммутирующих тонкопленочных электродов образует коммутирующее покрытие в виде геометрического мозаичного рисунка, например, в виде кирпичной кладки, при этом монолитноскрепляющее средство выполнено в виде керамического тонкопленочного мозаичного покрытия теплопоглощающей (лицевой) и тепловыделяющей (обратной) сторон батареи, состоящего из элементов мозаики в виде керамических тонкопленочных элементов, размещенных на каждой стороне батареи поверх коммутирующих тонкопленочных элементов в соответствующих объемных матричных ячейках объемной матричной структуры с возможностью образования мозаичного рисунка, повторяющего геометрический мозаичный рисунок коммутирующих тонкопленочных электродов, причем в двух противолежащих угловых матричных ячейках внутренней решетчатой полости объемной матричной структуры размещены поверх спеченных кристаллов тонкопленочные электроды выходных шин, напротив которых в планках первого вида с двух противолежащих узких сторон батареи выполнены внешние окошки, в которых размещены разделенные стеклотекстолитовой прокладкой по паре U-образных контактов для подключения выводных проводников, при этом одна пара контактов является рабочей, а другая пара контактов является резервной, при этом внешнеоребренные стенки батареи выполнены с нанесенным на них слоем жароупрочняющей эмали, например, огнезащитной кремнийорганической термостойкой эмалью.
Заявляемое техническое решение может быть признано соответствующим требованиям новизны, поскольку не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам предлагаемого объекта защиты.
Техническое решение можно признавать имеющим изобретательский уровень, поскольку оно для специалиста явным образом не следует из уровня техники.
Заявляемое техническое решение соответствует требованию промышленной применимости, поскольку оно изготавливается и используется (см. прилагаемую рекламу на двух листах).
Сущность заявляемого устройства пояснена следующими чертежами:
- фиг.1 - монолитная генераторная термоэлектрическая батарея, аксонометрия;
- фиг.2 - монолитная генераторная термоэлектрическая батарея, аксонометрия (с частичным сечением; провода условно сняты);
- фиг.3 - монолитная генераторная термоэлектрическая батарея, вид в плане;
- фиг.4- то же, вид сбоку;
- фиг.5 - средство изоляции термоэлектрических элементов в виде арматурного решетчатого каркаса, аксонометрия;
- фиг.6 - то же, вид снизу;
- фиг.7 - стеклотекстолитовая планка первого вида (для длинной стороны);
- фиг.8 - стеклотекстолитовая планка второго вида;
- фиг.9 - стеклотекстолитовая планка третьего вида;
- фиг.10 - стеклотекстолитовая планка четвертого вида;
- фиг.11 - стеклотекстолитовая планка пятого вида;
- фиг.12 - стеклотекстолитовая планка первого вида (для короткой стороны);
- фиг.13 - средство изоляции термоэлектрических элементов в виде арматурного решетчатого каркаса с размещенными элементами конструкции, аксонометрия с частичным сечением;
- фиг.14 - тоже, аксонометрия с несимметричным разрезом;
- фиг.15 - U-образный контакт 9 для подключения провода 10, аксонометрия.
Заявляемое изобретение - монолитная генераторная термоэлектрическая батарея 1 (см. фиг.1-4) содержит расположенные в чередующемся порядке множество термоэлектрических элементов p-типа (поз.2 на фиг.2) и множество термоэлектрических элементов n-типа (поз.3 на фиг.2), средство 4 изоляции упомянутых термоэлектрических элементов, коммутирующие тонкопленочные электроды 5, электрически соединяющие (верхние) теплопоглощающие 6 и тепловыделяющие (нижние) 7 стороны (фиг.4) соответствующих термоэлектрических элементов 2 и 3 с возможностью образования последовательно соединенной электрической цепи, на концах которой установлены тонкопленочные электроды выходных шин 8, имеющих контакты 9 для подключения выводных проводников 10 (фиг.1-4). Монолитная генераторная термоэлектрическая батарея 1 снабжена монолитноскрепляющим средством 11 (фиг.1-4). Средство изоляции термоэлектрических элементов 2 и 3 выполнено в виде арматурного решетчатого каркаса 4, собранного из скрепленных между собой стеклотекстолитовых планок первого 14 (фиг.7 и фиг.12.), второго 15 (фиг.8), третьего 16 (фиг.9), четвертого 17 (фиг.10) и пятого 18 (фиг.11) видов (см. фиг.7-12). Для изготовления перечисленных планок (позиции 14-18 на фиг.7-11) применен конструкционный стеклопластик, в частности, стеклотекстолит КАСТ - В-0,5 ВС, ГОСТ 10292-74. Эти стеклотекстолитовые планки 14-18 скреплены друг с другом с возможностью образования объемной матричной структуры в виде полой коробки 19 с боковыми внешнеоребренными стенками 20 с ребрами 21 и внутренней решетчатой полостью 22, образованной из сквозных объемных матричных ячеек 23 для размещения термоэлектрических элементов 2 и 3 (см. фиг.5-6). При этом каждая из стеклотекстолитовых планок выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда 24 (см. фиг.7), имеющего две узкие короткие торцевые 25 грани, две узкие длинные 26 боковые грани и две длинные широкие 24 боковые грани, а средство соединения упомянутых планок 14-18 между собой выполнено в виде группы соединительных несквозных прорезей 28, размещенных в широких боковых гранях 27 параллельно коротким узким торцевым 25 граням с шагом t равным ширине h ячейки 23 решетчатой полости 22, где h является расчетной величиной (см. фиг.7). Четыре упомянутые планки первого вида 14 (например, две длинные и две короткие) соединены прорезями 28, выполненными с одной длинной стороны каждой планки 14, и образуют при этом четыре боковые стороны 20 полой коробки 19 объемной матричной структуры арматурного решетчатого каркаса 4. Затем формируют внутреннюю решетчатую полость. Планка 15 второго вида, выполненная с длинной выемкой 30 поверх соединительных прорезей 28 одной длинной стороны и двумя короткими выемками 31 с ее противоположной стороны, установлена первой внутри коробки 19 параллельно одной боковой стороне 29 и на расстоянии от нее равным ширине h объемной матричной ячейки 23 (фиг.5). Следующей за планкой 15 и параллельно ей с тем же шагом установлена планка 16 третьего вида, выполненная с длинной выемкой 33 по одной длинной стороне и двумя посадочными прорезями 34 с противоположной ее стороны (фиг.5). Затем с тем же шагом параллельно планке 16 установлена планка 17 четвертого вида, выполненная в виде зеркально отраженного изображения планки 16 с двумя посадочными прорезями 34 (фиг.9). Затем продолжают устанавливать третий 16 и четвертый 17 виды планок в чередующимся порядке в равном четном количестве. После этого устанавливают (перпендикулярно планкам первого, второго, третьего и четвертого видов) в нечетном количестве планки пятого 18 вида с тем же шагом, что и планки 14-18 (фиг.5). Таким образом формируют внутреннюю решетчатую полость 22, состоящую из множества сквозных объемных матричных ячеек 23 (фиг.5) для размещения термоэлектрических элементов p- и n-типов. Размещенные в объемных матричных ячейках 23 термоэлектрические элементы p и n типов представляют собой отдельные монокристаллические спеченные термоэлектрические элементы (монокристаллы p и n типов) (поз. 2 и 3 на фиг.13 и фиг.14), каждый из которых монолитно соединен со стенками соответствующих объемных матричных ячеек 23 арматурного решетчатого каркаса 4 с возможностью образования множества спеченных монокристаллических термоэлектрических элементов p и n типов. Каждый из коммутирующих тонкопленочных электродов 35 размещен поверх каждого из упомянутых спеченных монокристаллических термоэлементов 2 и 3 в соответствующих электрическим соединениям объемных матричных ячейках, причем совокупность коммутирующих тонкопленочных электродов 35 образует неразъемное коммутирующее покрытие в виде геометрического мозаичного рисунка, например, в виде кирпичной кладки (см. фиг.1, 2, 3, 4, 13).
Монолитноскрепляющее средство 11 выполнено (см. фиг.1, 2, 3, 4, 13) в виде керамического тонкопленочного мозаичного покрытия теплопоглощающей (лицевой) 38 и тепловыделяющей (обратной) 39 сторон батареи 1, состоящего из элементов мозаики в виде керамических тонкопленочных элементов 40, размещенных на каждой стороне батареи 1 поверх коммутирующих тонкопленочных элементов 35 в соответствующих объемных матричных ячейках 23 объемной матричной структуры с возможностью образования мозаичного рисунка, повторяющего геометрический мозаичный рисунок коммутирующих тонкопленочных электродов 35 (см фиг.13, 14). Причем в двух противолежащих угловых матричных ячейках внутренней решетчатой полости размещены поверх монокристаллических термоэлементов 2 и 3 тонкопленочные электроды выходных шин 8, напротив которых в двух противолежащих планках первого вида 14 выполнены внешние окошки 41, в которых размещены разделенные стеклотекстолитовой прокладкой 43 по паре U-образных контактов 9 для подключения выводных проводников 10 (фиг.4), при этом одна пара контактов является рабочей, а другая пара контактов является резервной. При этом внешнеоребренные стенки 29 батареи 1 снабжены нанесенным на них слоем 45 жароупрочняющей эмали, например, огнезащитной специальной кремнийорганической термостойкой эмалью, например, марки «Эмаль зеленая КО-89, ТУ6-10-2024-85» (фиг.1-4).
Заявляемая монолитная генераторная термоэлектрическая батарея работает следующим образом. Монолитную генераторную термоэлектрическую батарею 1 размещают в устройстве для выработки электроэнергии (на фиг. не показано) и после поджига горелки подают тепло к теплопоглощающей стороне батареи 1. При этом противолежащая тепловыделяющая сторона батареи 1 охлаждается. Тепловой поток проходит по термоэлектрическим элементам, создавая на них перепад температур, при этом за счет эффекта Зеебека генерируется термоЭДС и в полезную нагрузку (на фиг. не показана) поступает полезная электрическая энергия.
Используемый в данной конструкции для изготовления пяти видов планок стеклотекстолит КАСТ - В ГОСТ 10292 (www.izl.ru/kast.htm, Приложение 1 и 2, каждое на двух листах) представляет собой великолепный конструкционный трудногорючий материал, обладающий высокими механическими и диэлектрическими свойствами и отличающийся способностью длительно эксплуатироваться при высоких температурах вплоть до 750°С. Стеклотекстолит обладает повышенной теплостойкостью, достаточно высокими диэлектрическими характеристиками, низким удельным весом, а также как диэлектрик совершенно не подвергается электрохимической коррозии, является стойким к различным агрессивным средам, в том числе к концентрированным кислотам и щелочам. Таким образом, каждая стеклотекстолитовая планка и выполненная из них конструкция арматурного решетчатого каркаса наделены ценными свойствами стеклотекстолита и обеспечивают получение этими конструкциями следующих технических результатов:
- оптимальной компактности с низкой себестоимостью, конструктивной технологичностью, высокими прочностными качествами конструкции с возможностями обеспечения жестких ограничений по массе, габаритам и техническим параметрам;
- повышенными влагостойкими и диэлектрическими свойствами, стойкостью к электрохимической коррозии и различным агрессивным средам (в частности, концентрированным кислотам и щелочам), повышенной стойкостью к ударным нагрузкам и резким перепадам температур,
- способностью длительно и с высокой степенью надежности эксплуатироваться при высоких температурах.
Конструктивное выполнение каждой планки и средства их соединения, представленное «в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего две узкие торцевые грани, две узкие боковые грани и две широкие боковые грани, а средство соединения упомянутых планок между собой выполнено в виде группы соединительных несквозных прорезей, размещенных в широких боковых гранях параллельно коротким узким торцевым граням с шагом равным ширине ячейки решетчатой полости», обеспечило высокую степень технологичности конструкции, а именно, простоту изготовления, легкость и удобство скрепления планок между собой, прочное их соединение без лишних соединительных деталей, что обеспечивает компактность конструкции устройства при низком весе и прочной форме. Выполнение планок с различными выемками позволяет при их расстановке производить формирание необходимой формы полостей в виде сквозных объемных матричных ячеек для размещения в них термоэлектрических элементов, а также полостей для коммутирующих электродов и последующих элементов конструкции, что обеспечивает получение прочной и высоконадежной герметичной сборки монолитной батареи с заданными стабильными техническими параметрами за счет повышенной трещиностойкости структуры термоэлектрических элементов с отличными термоэлектрическими свойствами и высокой механической прочностью. За счет этого значительно повышается прочность, коррозионностойкость и повышенная стойкость к ударным нагрузкам и резким перепадам температур устройства в целом.
Новая оригинальная конструкция средства изоляции в виде арматурного решетчатого каркаса с использованием для ее изготовления планок пяти видов планок оригинальной конструкции из конструкционного стеклопластика обеспечила функциональную многогранность свойств этого технического решения, а именно, достигнуто значительное повышение изоляционных свойств и дополнено рядом новых свойств: выполнением дополнительных армирующих функций (скрепляющие и несущие по типу скелета), значительно упрочняющих конструкцию, а также функций сборочной оснастки, обеспечивающей монолитную сборку термоэлементов, коммутирующих электродов и следующих элементов покрытий, с обеспечением возможности выполнения при сборке не повреждающих структуры элементов технологических операций, что обеспечивает трещиностойкость, не только термоэлектрических элементов, но и всех других элементов конструкции, а также всего устройства в целом.
Признак, относящийся к тому, что арматурный решетчатый каркас представляет собой объемную матричную структуру в виде полой коробки с боковыми внешнеоребренными стенками и внутренней решетчатой полостью, образованной из сквозных матричных ячеек для размещения термоэлектрических элементов обеспечивает следующее:
- боковые внешнеоребренные стенки обеспечивают благодаря наличию ребер прочное удержание нанесенного на них слоя жароупрочняющей эмали, что позволяет обеспечить высокие жаропрочность, пожаростойкость, надежность эксплуатации устройства;
- внутренняя решетчатая полость с объемными матричными ячейками для размещения термоэлектрических элементов обеспечивает такое их размещение, при котором происходит образование множества спеченных монокристаллических термоэлектрических элементов пир типов, монолитно соединенных со стенками соответствующих объемных матричных ячеек, что позволяет обеспечить повышенную трещиностойкость структуры термоэлектрических элементов с отличными термоэлектрическими свойствами и высокой механической прочностью. За счет этого значительно повышается ресурс использования и надежность эксплуатации в жестких метеоусловиях устройства в целом.
Признак, состоящий в том, что «каждый из коммутирующих тонкопленочных электродов размещен поверх упомянутых монокристаллических термоэлектрических элементов в соответствующих электрическим соединениям объемных матричных ячейках, причем совокупность коммутирующих тонкопленочных электродов образует коммутирующее покрытие в виде геометрического мозаичного рисунка, например, в виде кирпичной кладки», позволяет обеспечить монолитно-прочное коммутирующее покрытие со стабильными техническими параметрами, что содействует повышению надежности эксплуатации устройства.
Признак, состоящий в том, что «монолитноскрепляющее средство выполнено в виде керамического тонкопленочного мозаичного покрытия лицевой (теплопоглощающей) и обратной (тепловыделяющей) сторон батареи, состоящего из элементов мозаики в виде керамических тонкопленочных элементов, например, в виде прямоугольных плиток, размещенных на каждой стороне батареи поверх коммутирующих тонкопленочных элементов в соответствующих объемных матричных ячейках объемной матричной структуры с возможностью образования мозаичного рисунка, повторяющего геометрический мозаичный рисунок коммутирующих тонкопленочных электродов», позволяет обеспечить высокопрочную монолитную герметичную, жаропрочную и коррозионностойкую структуру, которая позволяет обеспечить заявляемому устройству высокий ресурс безаварийной работы в жестких климатических условиях.
Признак, состоящий в том, что «в двух противолежащих угловых матричных ячейках внутренней решетчатой полости объемной матричной структуры размещены поверх спеченных кристаллов тонкопленочные электроды выходных шин, напротив которых в двух противолежащих планках первого вида выполнены внешние окошки, в которых размещены разделенные стеклотекстолитовой прокладкой по паре U-образных контактов для подключения выводных проводников, при этом одна пара контактов является рабочей, а другая пара контактов является резервной», обеспечивает осуществление надежной коммутации токовводов с цепью термоэлементов, а также обеспечить удобный доступ к токовводам, что также повышает надежность эксплуатации устройства за счет механической прочности контактов и их соединений с другими элементами конструкции.
Признак, состоящий в том, что «внешнеоребренные стенки батареи выполнены с нанесенным на них слоем жароупочняющей эмали, например, огнезащитной кремнийорганической термостойкой эмалью», обеспечивает повышение жароупрочняющих свойств устройства, которые увеличивают его надежность, пожаростойкость и срок эксплуатации в жестких климатических условиях Таким образом, заявляемое техническое решение представляет собой высоконадежную оригинальную монолитную генераторную термоэлектрическую батарею, конструкция которой отличается от известных решений оригинальностью и простотой технического решения с высоким ресурсом безаварийной работы в жестких климатических условиях, простой технологией изготовления и невысокой стоимостью изготовления, влагостойкостью и прочностью при длительной эксплуатации в жестких условиях окружающей среды, высокой степенью герметичности при монолитной структурной прочности термоэлементов, коммутирующих электродов, средств изоляции и в целом всего устройства.
При этом в заявляемой конструкции монолитной генераторной термоэлектрической батареи обеспечено достижение следующих технико-экономическими результатов:
- повышена трещиностойкость термоэлектрических элементов с обеспечением отличных термоэлектрических свойств и высокой механической прочности;
- обеспечена оптимальная компактность, технологичность и конструктивная простота устройства со стабильно высокими техническими параметрами;
- обеспечена невысокая себестоимость;
- конструктивно обеспечено сохранение стабильности свойств термоэлектрических полупроводниковых элементов и соединяющих электродов за счет исключения деформирующих воздействий при изготовлении и эксплуатации;
- обеспечена герметичная монолитность всего изделия;
- обеспечена конструктивной трещиностойкостью и влагонепроницаемостью как внешних так и внутренних элементов конструкции устройства;
- обеспечена высокой плотностью термоэлементов;
- обеспечена надежной и удобной схемой коммутации термоэлементов устройства;
- обеспечена безаварийным длительным ресурсом работы в жестких климатических условиях и температурах около 300°С;
- обеспечена повышенной эффективностью получения стабильных расчетных выходных параметров;
- обеспечена повышенными характеристиками по жаропрочности и пожаростойкости устройств.
Монолитная генераторная термоэлектрическая батарея, содержащая расположенные в чередующемся порядке множество термоэлектрических элементов p-типа и множество термоэлектрических элементов n-типа, средство изоляции упомянутых термоэлектрических элементов, коммутирующие тонкопленочные электроды, электрически соединяющие теплопоглощающие и тепловыделяющие стороны соответствующих термоэлектрических элементов с возможностью образования последовательной электрической цепи, концами соединенной с тонкопленочными электродами выходных шин, имеющих контакты для подключения выводных проводников, отличающаяся тем, что она снабжена монолитно-скрепляющим средством, а средство изоляции термоэлектрических элементов выполнено в виде арматурного решетчатого каркаса, собранного из скрепленных между собой стеклотекстолитовых планок первого, второго, третьего, четвертого и пятого видов с возможностью образования объемной матричной структуры в виде полой коробки с боковыми внешнеоребренными стенками и внутренней решетчатой полостью, образованной из сквозных объемных матричных ячеек для размещения термоэлектрических элементов p- и n- типов, при этом каждая стеклотекстолитовая планка выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, имеющего две узкие торцевые грани, две узкие боковые грани и две широкие боковые грани, а средство соединения упомянутых планок между собой выполнено в виде группы соединительных несквозных прорезей, размещенных в широких боковых гранях параллельно коротким узким торцевым граням с шагом, равным ширине ячейки решетчатой полости, причем четыре планки первого вида соединены прорезями, выполненными с одной длинной стороны каждой, и образуют четыре боковые стороны упоминаемой полой коробки объемной матричной структуры, а планка второго вида, выполненная с длинной выемкой поверх соединительных пазов одной стороны и двумя короткими выемками с противоположной стороны, установлена первой внутри упомянутой полой коробки, а следующей параллельно установлена планка третьего вида, выполненная с длинной выемкой по одной стороне и двумя посадочными прорезями с противоположной стороны, следующей установлена планка четвертого вида, выполненная в виде зеркально отраженного изображения планки третьего вида, при этом третий и четвертый виды планок устанавливают в чередующемся порядке в равном четном количестве, а перпендикулярно планкам первого, второго, третьего и четвертого видов установлены в нечетном количестве планки шестого вида с возможностью образования множества сквозных объемных матричных ячеек внутренней решетчатой полости арматурного решетчатого каркаса, при этом каждый термоэлектрический элемент n- и p-типа размещен в соответствующей объемной матричной ячейке с возможностью образования множества спеченных монокристаллических термоэлектрических элементов n- и p-типов, монолитно соединенных со стенками соответствующих объемных матричных ячеек арматурного решетчатого каркаса, а каждый из коммутирующих тонкопленочных электродов размещен поверх каждого из упомянутых монокристаллических спеченных термоэлектрических элементов n- и p- типов в соответствующих электрическим соединениям объемных матричных ячейках, причем совокупность коммутирующих тонкопленочных электродов образует коммутирующее покрытие в виде геометрического мозаичного рисунка, например, в виде кирпичной кладки, при этом монолитно-скрепляющее средство выполнено в виде керамического тонкопленочного мозаичного покрытия теплопоглощающей и тепловыделяющей сторон батареи, состоящего из элементов мозаики в виде керамических тонкопленочных элементов, например, в виде прямоугольных плиток, размещенных на каждой стороне батареи поверх коммутирующих тонкопленочных элементов в соответствующих объемных матричных ячейках объемной матричной структуры с возможностью образования мозаичного рисунка, повторяющего геометрический мозаичный рисунок коммутирующих тонкопленочных электродов, причем в двух противолежащих угловых матричных ячейках внутренней решетчатой полости объемной матричной структуры размещены поверх спеченных кристаллов тонкопленочные электроды выходных шин, напротив которых в двух противолежащих планках первого вида выполнены внешние окошки, U-образных контактов для подключения выводных проводников, при этом одна пара контактов является рабочей, а другая пара контактов является резервной, при этом внешнеоребренные стенки батареи выполнены с нанесенным на них слоем жароупрочняющей эмали, например огнезащитной кремнийорганической термостойкой эмалью.
