ITUA20164656A1 - Trasduttore termoelettrico di composizione mista. - Google Patents

Description

TITOLO: TRASDUTTORE TERMOELETTRICO Di COMPOSIZIONE MISTA.

RIASSUNTO:

Il presente invento riguarda un TRASDUTTORE TERMOELETTRICO, costituito da una lega metallica, tramite un’associazione di metalli e ossidi metallici semiconduttori, per essere utilizzato sia come sensore di temperatura nei processi industriali o naturali, che come elemento costitutivo di una termopila interconnettendo un numero conveniente di identiche unità.

DESCRIZIONE:

Il termine trasduttore, si riferisce ad un dispositivo in grado di ricevere in entrata una determinata forma di energia, e trasformarla in uscita in una forma diversa, però di valori minimi in termini relativi rispetto ad un generatore. Il termine termoelettrico definisce il campo della trasformazione energetica. In questo caso si parla di un dispositivo che trasforma l’energia termica in energia elettrica. 1 dispositivi che fanno questo sono fondamentalmente:

- le termocoppie (per l'effetto Seebeck)

-le cellule o moduli Peltier (per l’effetto Peltier),

e qualsiasi altra combinazione di elementi che fanno parte dei diversi "GRUPPI DELLA TABBELLA PERIODICA" che si comportano allo stesso modo.

I trasduttori termoelettrici sono completamente privi di parti in movimento, e di fatto dovrebbero essere il mezzo più semplice, pulito ed economico per ottenere elettricità a partire dal'energia termica.

Per poter ottenere una efficienza nella trasformazione dell'energia, pari al 30-45%, che è la capacità che attualmente supportano i generatori elettrici convenzionali a gasolio o a gas, i dispositivi sopra citati sono raggruppati in un sistema chiamato “TERMOPILA”. La "termopila" è una delle parti fondamentali dei "generatori termoelettrici" o "T.E.Gs." (sigla in inglese).

Comporre, queste termopile impiegando elementi di qualsiasi dei dispositivi citati, per ottenere una potenza elettrica accettabile, nonostante ci sia il vantaggio

della somma delle loro capacità individuali, aumentandone l'efficienza, ci sono anche notevoli svantaggi di ciascuno.

Loro punti di forza e di debolezza sono i seguenti:

Le termocoppie sono dispositivi termoelettrici il cui funzionamento si basa su un principio fisico conosciuto da oltre 150 anni. Sono state massicciamente usate per registrare e poter regolare la temperatura di un'area di lavoro che di solito si rivela essere una camera, dove i processi industriali sono condotti a temperature con parametri molto specifici, e possono misurare ampi intervalli di esse (-270 ° C, e ben oltre 2.500 ° C).

Le termocoppie commerciali, standard o speciali, sono ben consolidate sul mercato, e possono essere di metalli puri, leghe o combinazioni ma, comunque, tutti conduttori metallici. Sono robuste, resistenti per uso industriale, semplici, economiche ed efficiente, ma sono ingombranti, poco sensibili (lenta risposta alle variazioni di temperatura , pari o inferiore a 50 microvolt / ° C), e sopratutto, hanno una tensione di uscita molto bassa. I loro componenti essendo metalli, hanno un basso coefficiente Seebeck o termo-potenza, che riduce notevolmente la capacità di convertire il calore in elettricità (la più elevata corrisponde a 70 millivolt.). Usati singolarmente sono eccellenti come sensori di temperatura, perché anche con una tensione di uscita relativamente bassa, si può registrare perfettamente con uno strumento idoneo. È difficoltoso formare con esse una termopila di performance ragionevole (tra 30W e 2000W) . Ciò comporta l’utilizzo di un gran numero di tali termocoppie per superare le basse prestazioni individuali, il che significa che aumenta in modo esponenziale la quantità di calore necessaria per tutta l’operazione, oltre ad aumentare il peso e il volume dell’apparato. Attualmente, un generatore termoelettrico costituito da termocoppie commerciali, è ancora molto costoso e poco pratico rispetto a i generatori convenzionali.

I moduli o cellule Peltier, sono dispositivi termoelettrici realizzati in materiali che non sono buoni conduttori termici, e conducono elettricità solo in certe circostanze specifiche, per esempio, aumentando la temperatura a cui sono sottoposte. Questi materiali sono elementi o composti di elementi semiconduttori (in genere silice, germanio, tellurio di bismuto) con "drogaggio". Ciò significa, che aggiungendo a un elemento semiconduttore puro, uno o più elementi diversi o "impurità", si genera nelle bande di valenza e di conduzione un eccesso di elettroni liberi (o "carichi"), o una riduzione di elettroni, chiamati "buchi". Ciò provoca che detti elementi si trasformano (in negativi o positivi), permettendo facilmente il flusso di corrente. Questi materiali vengono, però, ottenuti da processi chimici speciali, molto delicati e specifici a seconda del semiconduttore che si vuole ottenere. Le cellule o moduli Peltier sono di piccole dimensioni, molto efficiente nella trasformazione dei calore in energia elettrica. I materiali che li compongono, essendo semiconduttori, hanno grandi valori di termo-potenza o coefficiente Seebeck, che aumenta sostanzialmente la sua tensione elettrica di uscita. Si producono con diverse potenze (vi sono da 2W a più di 400W). Sono di fatto il collegamento in serie di decine di porzioni minuscole di elementi semiconduttori che formano coppie ( se disposti tra due lastrine di ceramica molto sottile). Il loro prezzo è molto alto, e la loro fragilità non permette di essere utilizzati in processi industriali pesanti, in quanto la loro composizione strutturale non supporta una fiamma diretta sostenuta, o alte temperature per lungo tempo (le saldature interne fondono a meno di 150<0>C). Tutto ciò comporta che vengono utilizzate principalmente negli impianti di refrigerazione a piccola scala, per evitare il riscaldamento di sensibili apparecchiature elettroniche, come i personal computer o per alimentare piccoli impianti di refrigerazione portatile senza parti in movimento più che altro nel trasporto di medicinali. Inoltre vengono utilizzate anche, in una varietà di diverse esperienze di laboratorio.

Con la comparsa di tecniche più avanzate, e stato possibile fabbricare nuove coppie di pari semiconduttori con una struttura cosi robusta e resistente come quella delle termocoppie, come esempio possiamo citare le coppie di semiconduttori utilizzate dalla ALPHA BETENERGY e dalla GLOBAL THERMOELECTRIC. Le prime sono coppie semiconduttore di silicio di alta purezza, che sfruttano l'energia termica residua dello scarico dei generatori convenzionali. Le seconde, che sono le più diffuse, sì compongono di una lega semiconduttore di piombo-stagno tellurio "Pb Sn Te". Tutti e due hanno drogaggio N e P, e si comportano in modo simile a una cella Peltier senza l'inconveniente della sua debole struttura. Essi possono resistere alte temperature per lunghi periodi di tempo, in particolare nei caso delie coppie "Pb Sn Te" superiore a 500 ° C, producendo ciascuna di loro un risultato di tensione maggiore a qualsiasi termocoppia commerciale attuale, dell'ordine di 85 millivolt. Essendo semiconduttori la loro risposta alle variazioni di temperatura è molto più veloce delle coppie di metallo, ma il loro volume rimane simile a quello delle termocoppie. Il materiale di cui sono fatte è altrettanto raro rispetto a quello dei moduli Peltier, e anche altrettanto costoso. Inoltre il componente semiconduttore tellurio (Te) è uno degli elementi più scarsi presenti in natura, la sua purezza dovrebbe essere maggiore di 99% per impiegarlo in modo efficiente, oltre ad avere una alta tossicità e un basso potenziale di riciclo.

Infine, con l'introduzione di nuove tecnologie è stato possibile superare le capacità come trasduttori termoelettrici delle classiche termocoppie, oltre a superare la fragilità delle celle Peltier e altri simili coppie semiconduttore. Ancora rimangono però questioni molto importanti da affrontare, come ad esempio: la poca disponibilità dei materiali che si usano come materia prima, la complessità dei processi in modo che possano impiegarsi come coppie termoelettriche, la tossicità di alcuni di essi, il grande volume del loro gruppo, ( che comporta più energia termica per operare), l'elevato consumo di carburante rispetto ai generatori di gas di pari potenza e gli elevati costi di produzione.

Per superare queste limitazioni, apparentemente sarebbe sufficiente se si sviluppasse un trasduttore termoelettrico (TTE) con le qualità delle classiche termocoppie ma più piccolo di volume. Di fatto non costituito da coppie di conduttori metallici, ma di un gruppo diverso di semiconduttori, senza gli svantaggi di quelli sopra descritti. Nello specifico si tratta di utilizzare ossidi metallici che hanno una bassa tossicità, un elevato punto di fusione e alta resistenza all’ossidazione. Hanno dimostrato in pratica, essendo già impiegati ampiamente come TERMISTORI, una altissima sensibilità e velocità di risposta anche a basse temperature, e l’energia che richiedono è simile a quella richiesta per i semiconduttori attualmente impiegati (tra 0,3 e 3 eV.). In questo modo, si potrebbe utilizzare con grande efficienza sia per la misurazione della temperatura dei processi industriali o naturali, impiegando solo uno di questi dispositivi, sia come componente di una termopila per T.E.Gs. raggruppando tra di loro un numero adeguato.

Tuttavia c'è ancora un'altra considerazione da tener conto. Affinchè un trasduttore termoelettrico funzioni è necessario prima di tutto, che sulla sua struttura fisica ci sia una differenza di temperatura tra un “punto caldo -1-” e un "punto freddo o meno caldo-2-", (gradiente termico). In secondo luogo, che la corrente indotta per quella differenza di temperatura possa fluire tra il punto -1- e il punto -2-, Nel caso dei metalli (di cui sono composte le termocoppie), la distanza che separa il punto -1- dal punto-2- non influisce significativamente sul traffico del flusso elettrico, perché i metalli sono per eccellenza buoni conduttori elettrici e termici su tutta la loro estensione, senza bisogno che ci sia nessuna condizione specifica. Nel caso invece che le termocoppie fossero costituite da lunghi cavi semiconduttori, considerando che questi non sono buoni conduttori termici, il problema sarebbe quando la distanza tra i punti -1- e -2- fosse tale, che la diminuzione della temperatura farebbe aumentare la resistenza elettrica del semiconduttore al punto da impedire il passaggio di corrente.

Nell'intento di superare le suddette considerazioni, o almeno minimizzare il più possibile le limitazioni dei dispositivi di cui abbiamo accennato, si è sviluppato il “ trasduttore termoelettrico" oggetto della presente domanda di brevetto, in cui si combinano metalli, leghe metalliche e ossidi metallici semiconduttori, combinando anche le proprietà che hanno separatamente ciascuno di essi, di cui si descrive una “prima forma di realizzazione” nella (figura a).

Il dispositivo termoelettrico comprende una lega metallica [- CrNi] (1), ed un metallo rivestito con una miscela, dei suoi ossidi mescolati con una resina conduttore elettrico, che risulta estremamente sensibile alle piccole variazioni di temperatura [+ Cu / CuO, Cu20] (2), uniti tra loro meccanicamente per una estremità (3), e per l'altra, collegati tramite connettori a pressione (4), ai terminali di un metallo in comune [Ni] (5 ). Il tutto inserito all'interno di una capsula metallica di protezione (6), con cui è collegata alla sua estremità inferiore, da una resina resistente ad alte temperature, e buon conduttore termico ed elettrico (7). La capsula è sigillata anche per l'estremità superiore con una resina che funge da isolante elettrico ed è resistente alle alte temperature (8).

Così, quando sulla capsula (6) installata nella sede in cui sono prese le letture di temperatura del processo industriale, occorre una differenza di temperatura (gradiente termico) tra la sua estremità superiore che è fuori del processo ed è a temperatura ambiente, e la sua estremità inferiore immersa nel processo. La temperatura che circonda l'estremità inferiore della capsula (6) incide indirettamente sulla resina (7), che la trasmette di forma omogenea alla giunzione della termocoppia (3). Così facendo viene indotto in questa, una piccola corrente elettrica che aumenta considerevolmente per la partecipazione degli ossidi di rame. La corrente transita senza difficoltà per la superficie (1), essendo questa una lega metallica, e allo stesso tempo per la superficie (2), all'interno della quale c’è il rame. Questo sistema garantisce che venga mantenuto il "gradiente termico" sulla miscela di ossidi di rame che lo ricopre, fattore indispensabile per permettere il passaggio di corrente attraverso il semiconduttore fino ai terminali da nichel (5), dove si collega lo strumento che registra la misura.

Con questa stessa prima forma di realizzazione, il dispositivo può essere collegato elettricamente in serie e termicamente in parallelo con altre unità identiche. Questo ci consente di costituire una termopila simile a quelle esistenti, ma con una performance completamente migliorata. Tuttavia, per usarlo specificamente per questo scopo è presentata una “seconda forma di realizzazione”, che riduce il suo volume e lo rende più efficiente per tale funzione, ed è mostrata nella (figura b).

Per questa seconda forma, le termocoppie (9), costituite dagli stessi elementi (1) e (2), e uniti in uguale modo come in (3) indicato nella (figura a), sono collegati elettricamente in serie con altri accoppiamenti identici con connettori a pressione di nichel (10), ed installati in una solida armatura, elettricamente isolata (11) di materiale scelto a secondo la temperatura di lavoro necessaria: metallo, vetro, ceramica, oppure un composto di essi.

Nel caso, di metallo e ceramica per alta temperatura, la struttura (11) separa fisicamente le due differente sezioni termiche, con uno spazio d'aria fra loro. La sezione calda (12) che circonda le articolazioni delle termocoppie è soggetta a radiazioni termiche rispetto a quella fredda (13), che circonda le connessioni di nichel (10) che collegano insieme le termocoppie. Tale struttura, indipendentemente dal numero di termocoppie contenenti, può essere considerata modulare, in modo da poter unire il numero di moduli necessari per strutturare una termopila con la capacità desiderata.

Ai procedimenti ed apparecchiatura sopra descritti, un tecnico del ramo, allo scopo di soddisfare ulteriori e contingenti esigenze, potrà apportare ulteriori modifiche e varianti. Purché tutte comprese nell’ambito di protezione del nuovo dispositivo sviluppato oggetto della presente domanda di brevetto, e definito dalle rivendicazioni allegate al presente documento.

I vantaggi di questo trasduttore termoelettrico sui dispositivi utilizzati finora per lo stesso scopo, sono principalmente i seguenti: Per fabbricarlo vengono utilizzati materiali comuni, stabili, abbondanti, facile da lavorare, sicuri per l'ambiente e le persone, oltre ad essere economici e maggiormente riciclabili. I semiconduttori usati sono nella loro forma naturale del tipo "P", senza sottoporli ad alcun processo speciale. Il loro processo di produzione è semplice, è robusto ma di piccole dimensioni, resiste ad alte temperature a regime continuo (sopra 800<0>C, il collegamento degli elementi che lo compongono è meccanico e senza saldature). Supporta la fiamma diretta di quasi tutti i carburanti, la sua tensione di uscita, operando ad elevate temperature è dell’ordine di 200 millivolt per unità (più del doppio di qualsiasi dispositivo similare presente oggi sul mercato). Può anche operare a basse temperature grazie alla grande sensibilità degli ossidi di rame.

È possibile utilizzare questo trasduttore termoelettrico, sia come componente di termopile, sia come sensore di temperatura. Ne! primo caso, con termopile che operano:

-con una camera di combustione propria, dove si bruciano carburanti chimici, -sfruttando il calore residuo dello scarico dei motori convenzionali.

-con la radiazione termica di una caldaia.

-con l’energia termica proveniente dal sole.

Nel secondo caso, come singolo sensore di temperatura per i fenomeni naturali o per processi industriali di produzione, elaborando le loro rispettive tabelle di temperatura.

Claims (1)

1. NUOVE RIVENDICAZIONI 1 -Trasduttore termoelettrico di composizione mista, costituito da componenti attivi che sono materiali dissimili (di diverso genero o categoria): un metallo conduttore con un materiale semiconduttore. 2-Trasduttore termoelettrico di composizione mista, secondo la rivendicazione anteriore, caratterizzato dal fatto di essere costituito da una lega metallica di nichel-cromo (NiCr) come elemento negativo, e ossidi metallici semiconduttori di rame I e II (Cu20 e CuO), come elemento positivo . 3- Trasduttore termoelettrico di composizione mista, secondo la rivendicazione 2, che si caratterizza dal fatto che gli ossidi di rame I e II, si mescolano con una resina elettricamente conduttiva e resistente alla fiamma diretta, per formare una miscela di materiale semiconduttore. 4- Trasduttore termoelettrico di composizione mista, secondo la rivendicazione 3, che si caratterizza dal fatto che essendo questa miscela composta da ossidi di metallo, è estremamente sensibile ed ha una risposta immediata in un ampio intervallo di temperature. 5-Trasduttore termoelettrico di composizione mista, secondo le rivendicazioni anteriori, caratterizzato dal fatto che la miscela di materiale semiconduttore è disposta intorno a un metallo conduttore (Cu), che per le sue proprietà metalliche, registra facilmente il gradiente termico prodotto nel loro ambiente, e lo trasferisce con la stessa distribuzione in tutta la superficie del semiconduttore. 6- Trasduttore termoelettrico di composizione mista, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la distribuzione del gradiente termico che mantiene il rame all'interno dell'intera struttura fisica del semiconduttore, li fa mantenere la capacità di condurre corrente in qualsiasi punto della sua superficie, e permette in più, di aumentare la sua lunghezza relativa. 7- Trasduttore termoelettrico di composizione mista, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di potersi impiegare tanto con temperature elevate, proprie della reazione dei combustibili chimici, cosi con temperature medie, come il calore residuale di caldaie o dei scarichi della combustione di motori convenzionali, o con basse temperature, proprie delle semplic manifestazioni naturali come la radiazione solare.