RU2382479C1

RU2382479C1 - Device for conversion of thermal energy into electric energy

Info

Publication number: RU2382479C1
Application number: RU2009108249/06A
Authority: RU
Inventors: Федор Федорович Пащенко (RU); Федор Федорович Пащенко; Владимир Викторович Торшин (RU); Владимир Викторович Торшин; Леонид Ефимович Круковский (RU); Леонид Ефимович Круковский
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2010-02-20

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: device is intended for direct conversion of thermal energy into electric energy. Device comprises generator of electric energy and heated elements, made of soft magnetic material with reduced Curie point and being composite part of "Ф"-shaped magnetic circuit, which consists of two side and middle rod with air gaps, equipped with heating conduit, which supplies heat from heater. Heated elements are joined by plank-yoke on hinged joint arranged in the middle rod; besides in process of plank position changeover, one of heated elements straps one of air gaps, and in position, when heated elements do not strap air gaps, they contact cooler. Middle rod is equipped with excitation winding, which is supplied from DC source, and generator has windings, arranged at side rods.

EFFECT: simplified design, increased efficiency factor and reliability.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к электрическим машинам, в которых производится прямое преобразование тепловых эффектов в другой вид энергии.The invention relates to electric machines in which direct conversion of thermal effects into another type of energy is performed.

Известно устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье (см., например, патент РФ №2298278, МПК Н02В 10/00 «Электрический двигатель», опубл. 27.04.97. в БИ №12).A device is known for converting thermal energy into mechanical energy using the Peltier effect (see, for example, RF patent No. 2298278, IPC Н02В 10/00 “Electric motor”, published on 04/27/97 in BI No. 12).

Недостаток известного устройства заключается в том, что для его осуществления используется сложная система преобразования с большим числом механических элементов, что приводит к низкой его надежности.A disadvantage of the known device is that its implementation uses a complex conversion system with a large number of mechanical elements, which leads to its low reliability.

Известно также устройство для преобразования тепловой энергии в механическую с использованием эффекта Пельтье, в котором электрическая энергия сначала преобразуется в тепловую с последующим переводом тепловой энергии в механическую (см., например, патент РФ №2302072, МПК Н02В 10/00 «Электрический привод (варианты)», опубл. 27.06.93. в БИ №18).A device is also known for converting thermal energy into mechanical energy using the Peltier effect, in which electric energy is first converted into thermal energy with subsequent conversion of thermal energy into mechanical energy (see, for example, RF patent No. 2302072, IPC Н02В 10/00 “Electric drive (options ) ”, Published on June 27, 93. in BI No. 18).

Известное устройство преобразования характеризуется несколько более простой кинематической схемой и имеет более высокую надежность.The known conversion device is characterized by a slightly simpler kinematic scheme and has higher reliability.

Однако известному устройству свойственны недостатки, которые заключаются в двойном преобразовании энергии, что понижает КПД системы в целом. Кроме того, в известном устройстве не предусмотрена возможность преобразования тепловой энергии в электрическую.However, the known device is characterized by disadvantages, which are the double conversion of energy, which reduces the efficiency of the system as a whole. In addition, the known device does not provide for the possibility of converting thermal energy into electrical energy.

Задачей изобретения является создание устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев.The objective of the invention is to provide a device for the direct conversion of thermal energy into electrical energy with a minimum number of intermediate and mechanical links.

Дополнительно решается задача по повышению КПД преобразования.Additionally, the task of increasing the conversion efficiency is solved.

Указанная задача решается за счет того, что в устройстве для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию, содержащем нагреваемые элементы и генератор электрической энергии, согласно изобретению нагреваемые элементы выполнены из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода и теряющего свои магнитные свойства при нагревании, указанные нагревательные элементы являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержня, боковые стержни выполнены в виде двух элементов, разделенных между собой воздушными промежутками, расположенными симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню и примыкающими к нему, нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире, расположенном на оси симметрии на краю среднего стержня так, что при переходе планки из одного положения в другое один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стрежня, воздушные промежутки снабжены теплопроводом, подводящим тепло от нагревателя, а в положении, когда нагреваемые элементы не перемыкают воздушные промежутки, они соприкасаются с охладителем, причем средний стержень снабжен обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока, а генератор электрической энергии выполнен в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях.This problem is solved due to the fact that in the device for converting thermal energy into electrical energy containing heated elements and an electric energy generator, according to the invention, the heated elements are made of soft magnetic material with a reduced Curie point, which has a second-order phase transition heat and loses its magnetic properties when heated, these heating elements are an integral part of the F-shaped magnetic circuit, consisting of two side and middle rod, side the rods are made in the form of two elements separated by air gaps located symmetrically on both sides with respect to the middle rod and adjacent to it, the heated elements are joined together by a rigid bar mounted in the form of a rocker arm on a protruding hinge located on the axis of symmetry on the edge the middle rod so that when the strap moves from one position to another, one of the heated elements bridges one of the air gaps of one or another side rod, the air gap equipped with a heat conduit supplying heat from the heater, and in the position where the heated elements do not cross the air gaps, they are in contact with the cooler, and the middle rod is equipped with an excitation winding powered by a direct current source, and the electric energy generator is made in the form of generating windings located on side rods.

В варианте технического решения края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа, а нагреваемые элементы перемыкают ту или иную пару выступов.In a technical solution, the edges of the air spaces contain two parallel protrusions, and the heated elements cross one or another pair of protrusions.

В варианте технического решения жесткая планка выполнена из материала, обладающего пружинящими свойствами.In an embodiment of the technical solution, the rigid bar is made of a material having spring properties.

Наличие нагреваемых элементов, состоящих из магнитно-мягкого материала с пониженной точкой Кюри, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, в которых материал теряет свои магнитные свойства, и являющихся составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых и среднего стержней, в которых боковые стержни имеют воздушные промежутки, расположенные симметрично с двух сторон по отношению к среднему стержню, а нагреваемые элементы сочленены между собой жесткой планкой, установленной в виде коромысла на выступающем шарнире так, что при переходе планки из одного положения в другое, поочередно, один из нагреваемых элементов перемыкает один из воздушных промежутков того или иного бокового стержня, позволяет формировать генератор, преобразующий тепловую энергию в электрическую.The presence of heated elements, consisting of a soft magnetic material with a lowered Curie point, having a heat of a second-order phase transition in which the material loses its magnetic properties, and which are an integral part of the F-shaped magnetic circuit, consisting of two side and middle rods, in which lateral rods have air gaps symmetrically on both sides with respect to the middle rod, and the heated elements are joined together by a rigid bar mounted in the form of a beam on the protruding the hinge so that when the strap moves from one position to another, one of the heated elements alternately bridges one of the air gaps of one or another side rod, allows you to form a generator that converts thermal energy into electrical energy.

Применение теплопровода, подводящего тепло от нагревателя, к нагреваемым элементам, когда они примыкают к воздушным промежуткам боковых стержней и наличие охладителя, воздействующего на нагревательные элементы, когда они находятся вне зоны воздушных промежутков, позволяет повысить производительность устройства за счет интенсификации процессов нагрева и охлаждения.The use of a heat conduit that delivers heat from the heater to the heated elements when they adjoin the air gaps of the side rods and the presence of a cooler acting on the heating elements when they are outside the air gap helps to increase the productivity of the device by intensifying the heating and cooling processes.

Наличие обмотки возбуждения, расположенной на среднем стержне и выполнение генератора электрической энергии в виде генерирующих обмоток, расположенных на боковых стержнях, позволяет вырабатывать электрическую энергию без использования вращающихся частей и при минимальном количестве подвижных элементов.The presence of the field winding located on the middle rod and the implementation of the generator of electric energy in the form of generating windings located on the side rods allows you to generate electrical energy without the use of rotating parts and with a minimum number of moving elements.

Параллельные выступы, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев всей магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.Parallel protrusions located on the side rods in the area of air gaps allow you to select a heating zone, which reduces the overall heating of the entire magnetic system and accelerates the process of heat supply to the heated elements.

Выполнение жесткой планки, соединяющей нагревательные элементы, из материала, обладающего пружинящими свойствами, дает возможность снизить пульсации тока в намагничивающей обмотке, расположенной на среднем стержне.The implementation of a rigid strip connecting the heating elements, from a material having spring properties, makes it possible to reduce the ripple current in the magnetizing winding located on the middle rod.

Изобретение иллюстрируется 4 чертежами.The invention is illustrated by 4 drawings.

На фиг.1 представлена принципиальная конструкция устройства.Figure 1 presents the basic design of the device.

На фиг.2 показан фрагмент конструкции с теплопроводом, подводящим тепло к подвижному элементу, примыкающему к зазорам снизу.Figure 2 shows a fragment of a structure with a heat conduit supplying heat to the movable element adjacent to the gaps from below.

На фиг.3 изображен фрагмент конструкции с боковыми выступами, расположенными в области зазоров с нагреваемыми элементами.Figure 3 shows a fragment of a structure with lateral protrusions located in the region of gaps with heated elements.

На фиг.4 нарисована часть конструкции, вид со стороны подвижных нагреваемых элементов.Figure 4 shows a part of the structure, a view from the side of the movable heated elements.

Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию выполнено следующим образом. Нагреваемые элементы 1, 2 (фиг.1) состоят из магнитно-мягкого материала, обладающего теплотой фазового перехода второго рода, в которых материал теряет свои магнитные свойства, с пониженной точкой Кюри. При этом они и являются составной частью Ф-образной магнитной цепи, состоящей из двух боковых стрежней 3, 4 и среднего стержня 5. Средний стержень 5 снабжен обмоткой возбуждения 6, питаемой от источника постоянного тока (не показан). В свою очередь боковые стержни снабжены генерирующими обмотками соответственно 7 и 8, на выходе которых установлены выпрямители (не обозначены). В боковом стержне 3, в области, примыкающей к среднему стержню 5, выполнен воздушный промежуток 9. В то же время в боковом стрежне 4, в области, примыкающей к среднему стержню, выполнен воздушный промежуток 10. В свою очередь нагреваемые элементы 1 и 2 сочленены между собой жесткой планкой 11, выполненной в виде коромысла. Средняя точка планки установлена на выступающем шарнире 12, основание которого расположено по оси симметрии магнитной цепи и приходится на нижнюю часть среднего стержня 5 между воздушными промежутками 9 и 10. Края воздушных промежутков содержат по два параллельных выступа соответственно 13 и 14, а нагреваемые элементы 1 и 2 перемыкают ту или иную пару выступов. В нижней части устройства расположен охладитель 15, установленный таким образом, что когда один из нагревательных элементов находится вне пределов воздушного промежутка, этот элемент входит в соприкосновение с охладителем. Области промежутков снабжены теплопроводом 16 (фиг.2), подводящим тепло от нагревателя 16'.A device for converting thermal energy into electrical energy is as follows. The heated elements 1, 2 (Fig. 1) consist of a soft magnetic material with a second-order phase transition heat in which the material loses its magnetic properties, with a reduced Curie point. Moreover, they are an integral part of the F-shaped magnetic circuit, consisting of two lateral rods 3, 4 and the middle rod 5. The middle rod 5 is equipped with an excitation winding 6, powered by a direct current source (not shown). In turn, the side rods are equipped with generating windings, respectively 7 and 8, at the output of which rectifiers are installed (not indicated). In the side rod 3, in the region adjacent to the middle rod 5, an air gap is made 9. At the same time, in the side rod 4, in the region adjacent to the middle rod, there is an air gap 10. In turn, the heated elements 1 and 2 are articulated between each other a rigid bar 11, made in the form of a rocker. The midpoint of the strap is mounted on a protruding hinge 12, the base of which is located on the axis of symmetry of the magnetic circuit and falls on the lower part of the middle rod 5 between the air gaps 9 and 10. The edges of the air gaps contain two parallel protrusions 13 and 14, respectively, and the heated elements 1 and 2 bridge one or another pair of protrusions. At the bottom of the device, a cooler 15 is installed so that when one of the heating elements is outside the air gap, this element comes into contact with the cooler. The gaps are provided with heat conduit 16 (FIG. 2) supplying heat from the heater 16 '.

Выступы 13 (14) могут располагаться с боковой стороны по отношению к боковым стержням 3 (4) (фиг.3).The protrusions 13 (14) can be located on the side with respect to the side rods 3 (4) (figure 3).

Дополнительное представление о расположении нагревательных элементов по отношению к боковым стрежням дает фиг.4, на которой имеется вид со стороны подвижных нагреваемых элементов 1 и 2.Figure 4, which has a view from the side of the movable heated elements 1 and 2, gives an additional idea of the location of the heating elements with respect to the side rods.

Устройство для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию действует следующим образом. При подаче питания на обмотку возбуждения 6 в магнитопроводе возникает магнитный поток, который распространяется по боковым стержням 3 и 4. Один из подвижных элементов, находящийся ближе к своему зазору, притянется к боковому стержню, замкнув при этом соответствующий зазор. Допустим это, как показано на фиг.1, подвижный элемент 1 замыкает зазор 9. При этом подвижный элемент 2 остается в зоне действия намагничивающей силы, создаваемой боковым стержнем 4. Одновременно элемент 2 будет соприкасаться с охладителем 15. Магнитный поток в боковом стержне 3 возрастает, а элемент 1 попадает в зону действия теплопровода 16, подводящего тепло от нагревателя 16'. Нагреваемый элемент 1 подвергается нагреву от нагревателя до температуры, при которой он теряет свои магнитные свойства, и к зазору 10 притянется подвижный элемент 2, замыкая при этом магнитную цепь бокового стержня 4. Магнитное поле в боковом стержне 4 возрастает, а в боковом стержне 3 наоборот падает. Теперь в зоне нагрева находится элемент 2, а в зоне охлаждения элемент 1. В результате происходит потеря магнитных свойств в элементе 2 и восстановление этих свойств в элементе 1. Далее процесс повторяется. В результате в боковых стержнях поочередно будет периодически увеличиваться или уменьшаться магнитный поток и по закону электромагнитной индукции, определяемой формулойA device for converting thermal energy into electrical energy acts as follows. When power is applied to the field winding 6, a magnetic flux arises in the magnetic circuit, which propagates along the side rods 3 and 4. One of the moving elements, which is closer to its gap, is attracted to the side rod, closing the corresponding gap. Suppose this, as shown in figure 1, the movable element 1 closes the gap 9. In this case, the movable element 2 remains in the area of the magnetizing force created by the side rod 4. At the same time, the element 2 will be in contact with the cooler 15. The magnetic flux in the side rod 3 increases , and the element 1 falls into the zone of action of the heat pipe 16, which supplies heat from the heater 16 '. The heated element 1 is heated from the heater to a temperature at which it loses its magnetic properties, and a movable element 2 is pulled to the gap 10, closing the magnetic circuit of the side rod 4. The magnetic field in the side rod 4 increases, and vice versa in the side rod 3 falls. Now there is element 2 in the heating zone, and element 1 in the cooling zone. As a result, the magnetic properties are lost in element 2 and these properties are restored in element 1. The process is then repeated. As a result, the magnetic flux in the side rods will periodically increase or decrease periodically, and according to the law of electromagnetic induction, defined by the formula

е=- w×dФ/dt,e = - w × dF / dt,

где w - число витков обмотки 7 или 8, dФ/dt - изменение магнитного потока. Полученная таким образом эдс выпрямляется в выпрямителях и используется как источник электрической энергии. Ток от выпрямителей может подводиться к обмотке возбуждения 6, формируя, таким образом, систему самовозбуждения.where w is the number of turns of the winding 7 or 8, dF / dt is the change in magnetic flux. The emf thus obtained is rectified in rectifiers and used as a source of electrical energy. The current from the rectifiers can be supplied to the excitation winding 6, thus forming a self-excitation system.

Параллельные выступы 13, 14, находящиеся на боковых стрежнях в зоне воздушных промежутков, позволяют выделить зону нагрева, что снижает общий нагрев магнитной системы и ускоряет процесс подвода тепла к нагреваемым элементам.Parallel protrusions 13, 14, located on the side rods in the area of air gaps, allow you to select a heating zone, which reduces the overall heating of the magnetic system and accelerates the process of supplying heat to the heated elements.

Выполнение жесткой планки 11, соединяющей нагревательные элементы, из материала с пружинящими свойствами дает возможность снизить пульсации тока в обмотке 6, расположенной на среднем стержне 5.The implementation of the rigid strap 11 connecting the heating elements from a material with spring properties makes it possible to reduce current ripple in the winding 6 located on the middle rod 5.

Как видно из описания, предлагаемое устройство прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию функционирует при минимальном количестве промежуточных и механических звеньев в автоматическом режиме и генерируемая мощность будет зависеть только от скорости подачи тепла и охлаждения, что способствует высокому КПД системы и высокой ее надежности.As can be seen from the description, the proposed device for the direct conversion of thermal energy into electrical energy operates with a minimum number of intermediate and mechanical links in automatic mode and the generated power will depend only on the rate of heat and cooling, which contributes to the high efficiency of the system and its high reliability.

Предлагаемое изобретение может найти широкое применение для преобразования тепловой энергии в электрическую энергию в устройствах, в которых происходят циклические процессы с нагревом и охлаждением.The present invention can find wide application for the conversion of thermal energy into electrical energy in devices in which cyclic processes with heating and cooling occur.

Claims

1. A device for converting thermal energy into electrical energy containing heated elements and an electric energy generator, characterized in that the heated elements are made of soft magnetic material with a lowered Curie point, which has the heat of a phase transition of the second kind and loses its magnetic properties when heated, these heating elements are an integral part of the F-shaped magnetic circuit, consisting of two side and middle rods, the side rods are made in the form of two elements, p separated by air gaps located symmetrically on both sides with respect to the middle rod and adjacent to it, the heated elements are joined together by a rigid bar mounted in the form of a rocker arm on a protruding hinge located on the axis of symmetry on the edge of the middle rod so that upon transition straps from one position to another one of the heated elements bridges one of the air gaps of one or another side rod, the air gaps are equipped with a heat conduit that supplies heat m heating, and in the position where the bridging elements are not heated by air gaps, they come into contact with the cooler, the middle rod is provided with a field winding fed from a DC source, and electric power generator is in the form generating windings disposed on the lateral bars.

2. The device for converting thermal energy according to claim 1, characterized in that the edges of the air spaces contain two parallel protrusions, and the heated elements bridge one or another pair of protrusions.

3. A device for converting thermal energy according to any one of claims 1 or 2, characterized in that the rigid strip is made of spring material.