NO810496L - Termoelektrisk generator og fremgangsmaate for fremstilling av samme. - Google Patents

Description

I 1821 oppdaget T.J. Seebeck at når to forskjellige ledere kobles til hverandre i en sløyfe og det opprettholdes en temperaturforskjell mellom de to koblingspunkter, frembringes det en termoelektrisk kraft. En slik sløyfe blir kalt et termoelement og er i realiteten en generator for termoelektrisk eller Seebecks elektromotoriske kraft (EMK).

I 1843 oppdaget J.C.A. Peltier at når en elektrisk strøm ledes gjennom to forskjellige ledere som er koblet i en sløyfe, vil det ene koblingspunkt avkjøles mens det andre oppvarmes. Hvis strømretningen reverseres, vil også virkningen bli reversert, idet det første koblingspunkt oppvarmes og det andre koblingspunkt avkjøles.

I 1853 viste Quintus Icilus at størrelsen av varme-inngangen eller varmeutgangen ved hvert koblingspunkt er direkte proporsjonal med strømmen.

I forsøk på å forklare uoverensstemmelser mellom eks-perimentelle resultater angående den endrede.temperatur i en leder når ledertemperaturen endret seg,, trakk William Thompson i 1854 den slutning at denne effekt, kalt Thompson-effekten, er proporsjonal med produktet av stiømmen og temperaturgradienten. Den er reverserbar på den måte at lederen endres fra en Thompson-effekt-generator til en Thompson-effekt-absorbator, når enten strømmen eller temperaturgradienten reverseres, men ikke begge på en gang.

Tidligere kjente termoelektriske generatorer har hatt

sin store begrensning i lav spenningsfrembringelse på grunn av konstruksjonen av termoelementene, idet det i konstruksjonen har vært benyttet metalltråder, metallband, metall-stenger eller lignende.

I innretningen ifølge foreliggende oppfinnelse tas

det i bruk to ulike metallpulvere som blandes enkeltvis med et passende bindemiddel eller en fluks og trykkes på et passende underlag som har gode varmeisolerende og elektrisk isolerende egenskaper.

Det er hensikten og formålet med foreliggende oppfinnelse å foreta en direkte omfanning av varmeenergi i form av solenergi eller andre former for varmeenergi til elektrisk energi, uten noen bevegende deler og på en måte som hverken er energi- eller materialkrevende, ved bruk av

Seebeck-effekten. Et av kravene ved fremstilling av termo-elektrisitet er .at temperaturen ved et av de to koblingspunkter i hvert termoelement må være høyere enn. ved det andre koblingspunkt. Jo større temperaturforskjellen er,

dess tørre blir spenningspotensialet mellom de to koblingspunkter. Slike spenninger er meget lave. For et termoelement av kromel-konstantan der temperaturforskjellen er 100°C,

med 0° henholdsvis 100°C, blir spenningen 6,317 millivolt. Ett tusen termoelementer vil derfor i en seriekobling frembringe en spenning på 6,317 volt.

Det er derfor åpenbart at for å kunne gjøre noen vesentlig bruk av termoelektriske energi, må det stilles to betingelser: for det første et stort antall termoelementer og for det andre størst mulig temperaturforskjell. Den måte som termoelementer nå fremstilles på er at -to forskjel-. lige metaller i form av tråder, bånd eller stenger smeltes sammen. Denne høytemperatursammenbinding blir en sveis der de to flater smeltes sammen, slik et det blir en sammenblanding av metallene ved koblingspunktene.

En av de mest betydelige forskjeller mellom det kjente og foreliggende oppfinnelse ligger i deri måte som termoelementene utformes på. I stedet for å starte med massive metaller, slik som tråd, bånd eller stenger, blir det ifølge oppfinnelsen benyttet fint oppdelt metallpulvere som er blandet med et egnet bindemiddel eller en fluks og danner en metallisk trykkfargeforbindelse, som benyttes til å

trykke en masse termoelementer i serie på et underlag. Denne trykking kan utføres ved en silketrykkmetøde eller i offset, litografiske metoder eller høytrykksmetoder. Elementene vil bli trykket i rekkefølge, kobber kan for eksempel pålegges først og konstantan kan derpå legges ved siden av kobberet. De føres derpå gjennom en induksjonsovn der metallene

smeltes på grunn av den varme som utvikles inne i selve metallpartiklene. Ehmikrobølgeovn eller en laserstyrt smelteinnretning kan benyttes i stedet for induksjonsovnen. Det kan derfor garanteres en elektrisk bane gjennom fast metall. Det fås også gode termoelementer på grunn av en

sammenblanding av metallene ved koblingspunkterie.

Det er derfor et hovedformål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en termoelektrisk generator, der det benyttes en rekke termoelementer koblét i serie på et smalt bånd som kan rulles opp i en spoleform eller er anordnet i et stort antall med hverandre elektrisk forbundne strimler som danner en i hovedsaken rektangulær plate eller et panel.

Enda et hovedformål, med oppfinnelsen er å tilveiebringe to forskjellige metaller i en fin pulverform for blanding med et passende bindemiddel eller en fluks, slik at det dannes en metallisk trykkfargeforbindelse som kan benyttes i flere kjente trykkeprosesser når den påføres på et egnet underlag eller substrat.

Enda et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe

en innretning til å øke temperaturforskjellen mellom de kalde og varme punkter i termoelementene i de vekselvis anordnede bånd eller strimler, der det sørges for en elektrisk ledende forbindelse.mellom bunnen eller den kalde side i.et første termoelementbånd og toppen eller den varme side i et annet termoelementbånd.

Enda et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte til fremstilling av en termoelektrisk generator, bestående i at et egnet underlag i form av et ark med en forutbestemt lengde og bredde mates i rekke-følge gjennom en første og en andre metallisk trykkfarge-, påføringsinnretning, slik at det dannes en rekke linje-formede termoelementer langs hver arklengde, at hvert ark føres gjennom en smelteinnretning f.eks. en induksjonsovn, slik at metallpulverpartiklene smelter til en fast masse med en sammenblanding av partiklene i hvert koblingspunkt,

at hvert ark føres gjennom et skjære<y>erk for å skjære hvert ark i en rekke bånd med en termoelementlinje langs lengden av hvert bånd, at hver båndrekke føres til en bunteinnretning, slik at det dannes en bunt, at buntene føres til en sammenstillingsstasjon for sammenstilling til en panelplateform,

og at panelplaten føres til en sluttsamlestasjon.

Enda et formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en arkskjærestasjon mellom smeltestasjonen og skjæreverket når det føres et kontinuerlig underlag fra en spole gjennom et første og andre trykkeverk og smelteinnretningen.

Det skal nå gis en kort beskrivelse av tegningene

hvor:

Fig. 1 er et delriss i stor målestokk av et første

termoelementbånd ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 er et lignende riss av et annet termoelementbånd. Fig. 3 er et isometrisk riss av en rekke av veksel vis anordnede første og andre bånd som ikke er sammenstilt. Fig. 4 er et endeoppriss av en bunt vekselvis anordnede første og andre bånd som er elektrisk sammenkoblet for å øke temperaturforskjellen mellom de varme og kalde sider av båndene. Fig. 5 er et .grunnriss av et par typiske termoelektriske generatorpaneler ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 6 er et enderiss av et par paneler anordnet

på hverandre, der de varme ender vender utad og de kalde ender butter mot hverandre, og

fig. 7 er et skjematisk riss som viser arbeidstrinnene

ved fremstillingen av de termoelektriske paneler.

Det skal nå vises til tegningene og spesielt til

fig. 1, der et termoelektrisk generatorbånd som generelt er gitt henvisningstallet 10, omfatter en rekke termoelementer 12, som er anordnet i serie langs et egnet underlagsbånd 14 og danner generelt en pulserende rettvinklet bølgeform. Termoelementene består av vertikale i avstand plasserte ben, f.eks. 16,18, som har motsatt utstikkende koblingspunkter 2 0,22 ved topp og bunn, som forbinder benparene 16,18 på en slik måte at det frembringes en pulserende rettvinklet bølgeform. Termoelementmønsteret trykkes på underlagsbåndet 14. Et første metallpulver, f.eks. kobber, blandes med et passende bindemiddel eller en fluks og trykkes på underlaget, slik at det første ben tilformes, og konstantan eller det annet metall tilberedes på lignende måte fra et

pulver og trykkes på båndet 14, slik at de andre ben 18 og tilkoblingspunktene 20,22 blir tilformet. Det skal bemerkes at koblingspunktene 20 vanligvis tilhører den varme ende 24 og koblingspunktene 22 vanligvis tilhører den kalde

nedre ende 26. Båndet blir derpå tilført varme, for eksempel i en induksjonsovn, slik at metallpulveret smelter til en fast masse, samtidig som metallene blandes sammen ved koblingspunktene 20, 22.

Et par tilkoblingslapper 28,30 som er belagt med det første metall, f.eks. kobber, er elektrisk tilkoblet endene på de første ben 16 og strekker seg utad fra de motstående

øvre sidekantpartier på strimlene eller båndene 14. Trykkingen utføres på et relativt smalt bånd med en bredde på omtrent 6,35 til 12,7 mm og i den beskrevne pulserende, rettvinklede bølgeform. Den trykte termoelementkon-struksjon vil fungere på samme måte som termoelementer fremstilt av tråd eller metallband, med det unntak at det kan trykkes meget hurtigere, meget nærmere og mindre enn de som kan fremstilles av tråd eller bånd. Underlagsbåndet 14 er fremstilt av et godt varmeisolerende og elektrisk isolerende materiale som kan ha en tykkelse av størrelses-ordenen 0,025 til 0,050 mm.

Det vil bli trykket i det minste 100 termoelementer

pr. lineær 25 mm på underlangsbåndet 14.

Hovedformålet med trykkingen og bruken av et veldig stort antall termoelementer er å muliggjøre bruk av mindre temperaturforskjell mellom det øvre eller varme og det nedre eller kalde koblingspunkt, samtidig som det kan uttas en stor mengde energi. Krom- konstant spenning på 6,317 millivolt ved 100°C temperaturforskjell, og hvis det bare frembringes 20°C vil det bare frembringes 1,192 millivolt pr. termoelement eller 0,001192 volt. Med 100 termoelementer i serie pr. 25 mm vil det frembringes 0,1192 volt og pr. 250 mm 1.192 volt, 11,92 volt for 2 500 mm med bare 10 000 termoelementer i serie. Med total tykkelse for båndet

14 og termoelementene på 0,0 75 mm vil dette bånd på 2 500 mm kunne frembringe 12 volt og kan vikles til en spole med en diameter på omtrent 19 mm. Båndet kan selvsagt vikles til å danne et hovedsakelig rektangulært mønster eller utformes som en rekke kortere bånd i serier som totalt vil være på

25 meter og vil gi 119,2 volt eller 120 volt likestrøm.

Fra da av kan det ved hjelp av enkle elektriske koblinger

i serie eller parallell kunne frembringes en hvilken som helst spenning for et hvilket som helst ønsket strøm/ spenningsforhold.

Det skal nå vises til fig. 2 der et annet underlagsbånd er betegnet med henvisningstallet 50 og er identis med båndet 10, og alle henvisningstall er de samme med '-be-tegnelse med unntak av tilkoblingslappene 52,54 som strekker seg utad fra motstående nedre sidekantpartier på båndet 50 og som på lignende måte er belagt med et første metall, f.eks. kobber og utgjør en elektrisk forbindelse med enden på de første ben 16'. Det skal bemerkes at tilkoblingslappene 28,30 på det første bånd og 52,54 på det andre bånde 50 strekker seg ned fra toppkanten av båndet 10 og opp fra bunn-kanten på båndet 50 et stykke som er mindre enn halvparten av båndbredden, slik at det dannes en avstand 56 mellom disse, se fig. 4.

For å øke temperaturforskjellen ved å gjøre bruk av

en annen del av Seebeck-effekten blir båndene 10 og 50 sammensatt avvekslende, slik som vist på fig. 3 og 4. Et meget betydelig antall bånd 10 og 50 blir stablet sammen for å danne et panel, der to er vist i serie 80,82 tilfig. 5.

Alle båndene 10 er elektrisk parallellkoblet som ved 58,60 på fig. 4 gjennom tilkoblingslappene 28, 30,. og båndene 50 er lignende sammenkoblet ved 62,64 gjennom tilkoblingslappene 52,54. Ved å påtrykke en spenning og en strøm mellom tilkoblingsknastene, f.eks. ved hjelp av ledningene 66 og 68 vil denne bevirke en termisk kjølevirkning, slik at den normalt kaldere bunn vil bli aktivt termoelektrisk avkjølt i stede for ved stråling. Den varme som fjernes fra de nedre eller kalde koblingspunkter 22' ibåndene 50 blir derpå trans-portert til toppen eller de varme koblingspunkter 20 i båndene 10. En spenningsregulator 70 er anordnet i ledninen 66 for å begrense den elektriske overføring til toppkoblings punktene 20. Den varme som tas fra de nedre koblingspunkter og som ellers ville gå tapt som stråling, vil bli pumpet tilbake opp til toppkoblingspunktene og denne varmeenergi vil bli føyd til den normale varmeenergi ved toppkoblingspunktene 20 som mottas fra solen eller andre kilder. Når toppkoblingspunktene 20 i båndet 10 mottar energi fra en varmekilde vil toppflaten holdes konstant varmere enn den nedre flate, og derved begynner den elektriske produksjon.

Med en gang denne første relativt lave energimengde mates til det andre parallelle bånd 50 som er i intim kontakt med det første bånd 10, begynner det en økende eller regenerativ prosess. Regenereringen skriver seg fra det andre bånds 50 evne til å frembringe et kaldere lavere koblingspunkt 22' og til å pumpe varme til det varmere koblingspunkt 20 i båndet 10 for derved å øke den elektriske produksjon. Når temperaturforskjellen øker mellom de opp-varmede eller energimottakende koblings- eller forbindelses-punkter 20 i båndet 10 og de kalde koblings- eller forbind-elsespunkter 22' i båndene 50 som nå blir avkjølt ved dette, vil den elektromotoriske kraft stige betydelig. Strømmen vil også øke på grunn av den stigende spenning som frembringes ved den forbedrede kombinasjon av to vekselvis anordnede rekker av termoelementbånd 10 og 50.

Hvert panel, f.eks. panelet 80,. vil bli innhyllet eller avtettet mot været slik som ved 84, og toppsiden som utsettes for varme vil bli utformet slik at den absorberer en maksimal varmemengde, mens bunnen eller den kalde side vil bli isolert fra enhver varmefrembringende kilde, f.eks. et tak.

Som vist på fig. 6 blir det anordnet to paneler på en slik måte at to kalde flater blir buttet mot hverandre, slik som ved 86, mens to varme sider 88,90 vender motsatt utad for å absorbere varme fra enhver tilgjengelig varmekilde.

Anvendelser for det foran beskrevne utstyr er i realiteten ubegrenset, det kan benyttes til kraftomforming for husbruk, der de foran beskrevne paneler kan plasseres på taket i ethvert nødvendig antall for direkte frembringelse av elektrisk-energi for huseieren, og det kan også benyttes for kommersielle og industrielle anvendelser såvel som for fremdrift av vogner og fartøyer av alle typer.

Det skal nå beskrives en fremgangsmåte til fremstilling av termoelektriske paneler ifølge foreliggende oppfinnelse, og det vises til fig. 7., der en første stasjon 100 er utstyrt med et forråd for underlag i arkform i en første utførelse. Fra underlagstilførselsstasjonen 100 mates arkene i rekkefølge gjennom en første og en andre trykkeinnretning 102, 104 med metallisk trykkfarge, for derved å trykke en rekke rader termoelementer i serie

over bredden av hvert ark i samsvar med foreliggende oppfinnelse. De respektive.trykkfarger tilberedes av en passende blanding av forskjellige fine metallpulvere og en bærer eller fluks.

Fra den andre trykkeinnretning 104 føres arkene gjennom en smelteinnretning 106 der de metalliske partikler i termo-elementmønsteret smelter til en fast masse, og der det fås en sammenblanding av metallene ved alle termoelementenes .

koblingspunkter, 20,22.

Fra smeltestasjonen 106 føres arkene gjennom en skjære-verkstasjon 108 der de blir oppskåret i en rekke termoelementbånd 10, 50 og dreies 90 grader på tvers i et flate mot flate-forhold før innføring i en buntestasjon 110, der båndene i hvert ark pakkes sammen i en bunt.

Fra buntestasjonen 110 mates buntene i rekkefølge til en av en rekke sammenstillingsstasjoner 112, der buntene sammenstilles i paneler 80, 82 (fig. 5), og fra sammen-stillingsstas j.onene 112 mates de ferdige paneler til samlestasjon 114 for de ferdige paneler.

Mellom smeltestasjonen 106 og skjæreverkstasjonen 108 er det fortrinnsvis anordnet en påføringsstasjon 116 for et adhesiv for å feste sammen.båndene 10, 50 i buntform.

Hvis underlagsmaterialet foreligger i rulleform blir det anordnet en arkskjærestasjon etter smeltestasjonen 106.

Claims (10)

1. Termoelektrisk generator omfattende et passende underlagsbånd (14) med forutbestemt lengde og bredde og med en rekke i avstand plasserte første og andre termoelementben (16,18), anordnet ved siden av hverandre langs lengden av underlaget, karakterisert ved at benene (16,18) trykkes med en første og en andre trykkfarge som er sammensatt av pulvermetaller med forskjellig elektrisk ledningsevne og blandet med et passende bindemiddel, at benene (16,18) videre omfatter motsatt utstikkende over-lappende trykkte koblingspunktpartier ved endene, som forbinder benene med forskjellig ledningsevne til hverandre på en slik måte at benene blir elektriske.sammenkoblet og danner en første seriekoblet rekke av termoelementer (20, 22),.og at pulvermetallene er smeltet på underlaget slik at det danner en fast masse både. i benene og koblingspunktene, med en sammenblanding av nevnte første og andre metaller ved koblingspunktene.

2. Termoelktrisk generator som angitt i krav 1, karakterisert ved at den omfatter en rekke bånd (10), hvert med en påtrykt første termoelementserie som er anordnet i et front- til bak-sidekontaktforhold og danner en generelt rektangulær form, at hvert bånd omfatter første og andre tilkoblingslapper (28,30) som strekker seg utad fra de respektive ender i elektrisk forbindelse med de respektive motstående ender på den første termoelementserie og fortrinnsvis utstyrt med første og andre koblingsstykker (58,60) som strekker seg gjennom de første bg andre tilkoblingslapper på en slik måte'at de forbinder alle de første seriékoblede termoelementer i parallell, og at de første og andre tilkoblingslapper (28,30) fortrinnsvis har en bredde som strekker seg fra en topplengdekant (24) på båndet til et punkt som ligger noe kortere enn halvparten av den forutbestemt bredde.

3. Termoelektrisk generator som angitt i krav 2, karakterisert ved at den omfatter en rekke andre bånd som er innskutt i rekkefølge i et front- til bak-sideforhold mellom hvert par av de første rekker av bånd (19), der hvert av de andre rekker av bånd som omfatter en annen termoelementserie (20', 22'), lignende den første termoelementserie (20,22) og er trykt og smeltet på disse bånd, samt omfatter tredje og fjerde tilkoblingslapper (52,54) som strekker seg ut fra endéne på disse, og at de tredje og fjerde tilkoblingslapper i bredden strekker seg en avstand fra den nedre lengdekant til et punkt noe mindre enn halvparten av den forutbestemte båndbredde.

4. Termoelektrisk generator som angitt i krav 3, karakterisert ved at den omfatter tredje og fjerde elektriske tilkoblingsstykker (62,64) som sttekker seg gjennom de tredje og fjerde tilkoblingslapper på en slik måte at de forbinder alle de andre seriekoblede termoelementer i parallell.

5. Termoelektrisk generator som angitt i krav 4, karakterisert ved at den omfatter elektriske ledningskretser (66,68) som forbinder de første koblingsstykker (58,60) og de tredje og fjerde koblingsstykker (62,64), og at den fortrinnsvis omfatter styreorganer (70) som er innkoblet i den elektriske krets for å styre den elektrisitetsmengde som sirkulerer mellom de første og andre seriekoblede termoelementer når toppkantpartiene på de første og andre seriekoblede termoelementer utsettes for en varmekilde.

6. Termoelektrisk generator som angitt i krav 3, karakterisert ved at den forutbestemte bredde på de første og andre bånd ligger innenfor området 6,35 til 12,7 mm oa at antallet trvkte termoelementer oå de første oa andre bånd fortrinnsvis overstiaer 100 or. lineær 25 mm.

7. Fremgangsmåte for fremstilling av en termoelektrisk generator, karakterisert ved følgende arbeidstrinn, at det tilveiebringes et forråd (100) av underlagsark som i rekkefølge føres gjennom en 'første og en andre trykkeinnretning med metallisk trykkfarge for å danne en rekke ved siden av hverandre i lengderetningen liggende linjer av termoelementer (20,22)som er koblet i serie på hvert bånd, at den første trykkeinnretning (102) ed metallisk trykkfarge påfører et første ben (16) og ende-tilkoblingspartier i termoelementene med en første trykkfarge sammensatt av et første metallpulver og et passende bindemiddel, at en annen trykkeinnretning (104) méd metallisk trykkfarge påfører det andre ben (18) og endetil- koblingspartier i termoelementene med en annen trykkfarge sammensatt av et annet metallpulver med en annen ledningsevne, der de første og andre tilkoblingspartier blir liggende over hverandre på en slik måte at termoelementene vil bli koblet i serie, at de trykte termoelementer føres gjennom en smelteinnretning (1.6) slik at benene i termoelementene omdannes til en fast masse med en sammenblanding av det første og andre metallpulver ved koblingspunktene, at arkene oppskjæres til bånd mellom termoelementene som ligger på linje i lengderetningen, at hvert bånd føres til en bunteinnretning (110), der båndene i hvert ark buntes i et forhold frontside til bakside, at buntene føres til minst en sammenstillingsstasjon. (112), der buntene sammenstilles til paneler med en generelt sett rektangulær form, og at panelene fører til en samlestasjon (114) for sammen-stilte paneler.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at buntene mates i rekkefølge til en rekke sammenstillingsstasjoner, at koblingspunktene ved bun-nenden i endekoblingspunktene i de første avvekslende lagte bånd blir elektrisk koblet til koblingspunktene ved toppenden i endekoblingspunktene i alle de andre avvekslende lagte bånd ved sammenstillingsstasjonene og at styreorganer fortrinnsvis installeres i den elektriske forbindelse for å styre den mengde elektrisitet som sirkulerer mellom bunn- koblingspunktene i de første avvekslende lagte bånd og toppkoblingspunktene i de andre avvekslende lagte bånd.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at forrådet av underlag foreligger i rulleform, og at en arkskjærinnretning (118) er anordnet mellom smelteinnretningen (106) og et skjæreverk (108) for å skjære underlagsmaterialet i arkform.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at en bindemiddelpåføringsstasjon (116) er anordnet mellom smelteinnretningen (106) og skjæreverket (108) for å påføre arkene et bindemiddel før båns-oppskjæringsprosessen.