NL1029477C2

NL1029477C2 - Energie-omzetinrichting, generator en warmtepomp voorzien daarvan en werkwijze voor het vervaardigen daarvan.

Info

Publication number: NL1029477C2
Application number: NL1029477A
Authority: NL
Inventors: Franklin Hagg
Original assignee: Innovy
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2007-04-18
Also published as: US7969062B2; WO2007008059A3; US20080203849A1; NL1029477A1; WO2007008059A2

Description

-1- * ,

Korte aanduiding: Energie-omzetinrichting,, generator en warmtepomp voorzien daarvan en werkwijze voor het vervaardigen daarvan 5

De onderhavige uitvinding betreft een energie-omzetinrichting, een generator en een warmtepomp die voorzien zijn van een dergelijke energie-omzetinrichting en een werkwijze voor het vervaardigen daarvan. De energie-omzetinrichting dient voor het omzetten van thermische energie in elektriciteit of vice versa, in het bijzonder het omzetten van warmte in 10 elektrische energie of vice versa door middel van een thermisch-ionisch effect

Een dergelijke energie-omzetinrichting wordt ook wel een thermisch-ionische generator (TIG) genoemd. De TIG kan bijvoorbeeld dienen als bron van elektrische energiek Omzetting door middel van dit effect vindt bijvoorbeeld plaats in compacte TIG's voor opwekking van elektrische energie in ruimtevaartuigen, vaak in combinatie met nucleair 1S opgewekte warmte. Omgekeerd kan de omzetinrichting in combinatie met een tunneleffect van elektronen ook warmte verpompen door middel van het PeltierefFect. De omzetinrichting is bijvoorbeeld te gebruiken als warmtepomp, bijvoorbeeld als koelelement in een airconditioning of een koelkast.

Een bekende omzetinrichting van bovengenoemde soort omvat een elektrode, voorzien 20 van een emitter en collector met als tussenmedium vacuüm of een ioniseerbaar gas. Om los te laten van het oppervlak van de elektrode dienen de elektronen eerst een drempelspanning te overwinnên, de z.g. werkfunctie van het elektrodemateriaal. Vanwege de hoogte van de werkfunctie laten elektronen pas los van de emitter bij relatief hoge temperaturen, en worden zij dan naar de collector gevoerd, doordat warmte, in dit geval de kinetische energie van de 25 elektronen of ionen, van de warme emitter haar de koudere collector stroomt. Door de elektrische lading van de elektronen gaat er eveneens een elektrische stroom lopen. Doordat het thermionisch effect echter pas effectief is bij temperaturen boven circa 1600 K wordt er veel straling van de emitter naar de collector gezonden en treedt er een relatief veel warmteverlies op. Het maximale rendement dat wordt gehaald is zodoende 10 tot 12%, 30 hetgeen voor de meeste toepassingen onrendabel is. De toepassing van de bekende inrichting blijft daardoor beperkt tot de ruimtevaart en tot toepassingen waarbij een relatief laag gewicht en lange betrouwbare beschikbaarheid een doorslaggevende rol spelen.

Om het probleem van het grote warmteverlies op te lossen verschaft US-6.876.123-B2 een TIG waarbij meerdere elektroden op elkaar worden gestapeld die onderling op afstand 1029477 « \ -2- worden gehouden door isolerende elementen voor het vormen van een spleet tussen de elektroden. De verhouding tussen de afmetingen van de elektroden en de hoogte van de spleet is echter relatief groot, tot wel 1:10.000.000. Hierdoor kunnen er thermische spanningen optreden, waardoor de isolatorelementen kunnen verschuiven en los komen te zitten. De 5 oppervlakken van de elektroden kunnen vervolgens met elkaar in contact komen, waardoor de werking van de bekende TIG teniet wordt gedaan. Verder gaat US-6.876.123-B2 uit van een spleethoogte van 5 nm. Dit is echter te groot om het tunneleffect te realiseren. Wanneer de afstand tussen de elektroden kleiner is wordt het anderzijds moeilijker om deze tussenafstand te handhaven. Tevens is er bij de bekende inrichting sprake van het verwijderen van 10 materialen uit de spleet tussen de elektroden. Dit is nagenoeg onmogelijk te realiseren bij spleten met een hoogte kleiner dan 5 nm en diameters of lengtes van de elektroden in de orde van centimeters.

Tevens zijn bij kleinere tussenafstanden dan bij de oorspronkelijke 5 nm de problemen met thermische expansie en fabricage groter. Bij een elektrode zijn de uitzettingsverschillen 15 vele malen groter, in de orde van 200 nm per graad, dan de hoogte van de spleet en kunnen de thermische spanningen zo groot worden dat de isolatorelementen in de elektrode worden gedrukt. De elektroden kunnen zodoende alsnog met elkaar in contact komen, waardoor de werking van de TIG teniet wordt gedaan. Bij een kleinere spleethoogte is daarbij de warmtegeleiding door de isolatoren groter en zijn er meer lagen elektroden nodig om het 20 thermische verlies te beperken. Bij de inrichting uit US-6.876.123-B2 is de dikte van de isolatielaag of van de isolatorelementen gelijk aan de hoogte van de spleet. Aangezien de elektronen bij voorkeur door de isolatie tunnelen zullen de elektroden nauwelijks door het vacuüm tunnelen en wordt het effectieve oppervlak van de elektrode erg klein. De I

omzetinrichting is zodoende een metaal-isolatie-metaal (MIM) diode, waarvoor geldt dat er 25 duizenden lagen nodig zijn om thermische verliezen te beperken. |

De onderhavige uitvinding beoogt derhalve een omzetinrichting van bovengenoemde soort te verschaffen met een beter rendement.

De onderhavige uitvinding verschaft daartoe een energie-omzetinrichting voor het omzetten van warmte in elektrische energie of vice versa, omvattende: 30 - een aantal elektroden met oppervlakken die met een tussenruimte ten opzichte van elkaar zijn aangebracht; - een aantal isolatorelementen die tussen de elektroden zijn aangebracht voor het vormen van de tussenruimte, waarbij de tussenruimte klein genoeg is om tunnelen van elektronen tussen de elektroden mogelijk te maken; 1029477 -3- waarbij de isolatorelementen over een indringdiepte in de elektroden zijn aangebracht.

Het stralingsverlies is geminimaliseerd door meerdere lagen elektroden toe te passen, waardoor de temperatuurverschillen tussen de onderlinge lagen kleiner worden en de straling drastisch wordt verminderd. Tevens tunnelen elektronen door de tussenruimte of spleet in 5 plaats van door de isolatorelementen, aangezien de af te leggen afstand door de isolatorelementen, en daardoor de te overbruggen energiesprong, groter is dan bij bekende inrichtingen. Daarbij zijn de isolatorelementen langer of breder dan de hoogte van de tussenruimte, doordat de isolatorelementen gedeeltelijk in het geleidermateriaal van de ! elektroden zijn ingebed. Hierdoor is per laag de afstand waarover de warmte door de isolatie 10 kan weglekken relatief groot. Hierdoor is de tunnelafstand zo groot dat de elektronen zonder verlies van geleidingswarmte alleen effectief door de tussenruimte tunnelen in plaats van door de isolatorelementen.

Voor het verlagen van de werkfunctie van het emittermateriaal wordt in een uitvoeringsvorm cesiumdamp in de tussenruimte gebracht, waardoor de emittertemperatuur 15 kan worden verlaagd. Dit is dit gunstiger voor de toegepaste materialen en de.levensduur.

Ook kunnen halfgeleiders worden toegepast om de werkfunctie te verlagen.

In een verdere uitvoeringsvorm is de tussenruimte verkleind tot enkele nanometer, waardoor de elektronen niet alleen thermionisch worden gedreven, maar elektrische stroom ook door het tunneleffect wordt versterkt. Door het tunneleffect is een kleiner 20 temperatuurverschil voldoende zodat er minder warmteverlies optreedt.

Bij voorkeur omvatten de elektroden elementen of platen, die hoofdzakelijk evenwijdig met de tussenruimte, eventueel elastisch, gekoppeld zijn of geheel vrij ten opzichte van elkaar kunnen bewegen om temperatuurspanningen te minimaliseren. Door deze bewegingsvrijheid kunnen de elektrodeplaten eveneens loodrecht op de spleetrichting vrij 25 bewegen en zijn ze eenvoudiger in staat om de spleet in stand te houden, door ze aan een zijde aan te drukken. Hierdoor kan de hoogte van de tussenruimte kleiner zijn dan 5 nm.

Het omvormingsproces heeft een hoog rendement en zit dicht tegen het maximum aan dat kan worden behaald volgens het Camot-rendement ΔΤ/Τ. Uit berekeningen blijkt dat met de uitvinding een rendement is te halen in de orde van bijvoorbeeld 70-90% van het Camot-30 rendement. Dit is mogelijk bij zowel kleine temperatuurverschillen, in de orde van 10 tot 500 K, als bij grote temperatuurverschillen, in de orde van 500-1200 K.

Doordat de overdracht van elektronen wordt verkregen door het tunneleffect is de uitvinding ook te gebruiken als warmtepomp, door elektronen door het opleggen van een potentiaalverschil van de ene elektrode naar de andere te laten stromen. De kinetische energie, 102 94 77 » » -4- die in de elektronen aanwezig is, wordt daardoor getransporteerd, terwijl de temperatuur wordt verhoogd met de extra aangebrachte elektrische energie. Dit effect is bekend als het Peltier-effect.

Het rendement dat met de onderhavige uitvinding is te halen is eveneens 70-90% van 5 het rendement dat volgens Camot is te halen. Een dergelijk rendement is vanwege het geringere warmteverlies van de uitvinding vele malen hoger dan het rendement van de bekende Peltier-elementen en ook hoger dan dat van conventionele warmtepompen met een compressor.

In een uitvoeringsvorm is in de tussenruimtes de gasdruk zeer laag om tevens het 10 warmte-convectieverlies in de tussenruimtes te beperken. De energie-omzetinrichting is daarom in een vacuümdichte behuizing aangebracht die aan de randen is afgedicht met een elastische afdichting, welke de uitzettingsverschillen vanwege operationele thermische cycli kan overbruggen. Bij hoge temperatuur zal deze afdichting van kwarts of een temperatuurbestendig keramisch materiaal worden gemaakt in de vorm van een elastische 15 balg. Een dergelijke afdichting is zowel thermisch als elektrisch isolerend.

In tegenstelling tot een thermokoppel waarbij de stroomcontacten beide aan de koude kant zitten, dient dé stroom van een TIG zowel aan de warme als aan de koude zijde van een diode of elektrode, die onderdeel van de TIG vormt, te worden afgenomen.

De elektrische geleider naar de warme zijde geeft daardoor extra verliezen en is bij | 20 voorkeur hittebestendig met een thermische isolatie en goede elektrische geleiding. Als ' stroomgeleider heeft kobalt de voorkeur met een gecombineerd thermisch-elektrisch verlies in de orde van 8,5%. Tevens is de toepassing van chroom mogelijk dat een hogere temperatuur kan weerstaan. Bij zeer hoge temperaturen kan wolfram worden gebruikt met een verlies van 12,5%.

25 Bij hoge temperaturen wordt bij voorkeur als geleidermateriaal molybdeen, tantaal, wolfram of halfgeleiders als zirconiumoxide, metaalsilicides als molybdeendisulfide of andere hogetemperatuur keramische halfgeleiders toegepast, die eventueel gedoteerd zijn met andere elementen om de geleiding en de werkfunctie te beïnvloeden.

Als isolatieelementen worden bij voorkeur aluminiumoxide, magnesiumoxide, kwarts 30 of andere niet geleidende hoge temperatuur keramische materialen als carbides en nitrides gebruikt.

Bij lage temperaturen is een groot spectrum van geleiders en halfgeleiders mogelijk en is ook een groot spectrum aan isolerende materialen mogelijk en wordt de keus bepaald door 1 029477

1 I

-5- stabiliteit, kosten, een lage uitzettingscoëfïiciënt en het tegengaan van koudlassen, als dit vanwege het loskomen bij de fabricage gewenst is.

Volgens een verder aspect verschaft de onderhavige uitvinding een werkwijze voor het vervaardigen van een energie-omzetinrichting, omvattende de stappen van: 5 - het verschaffen van een aantal elektroden met oppervlakken; - een aanbrengen van een aantal isolatorelementen tussen de oppervlakken van de elektroden voor het vormen van een tussenruimte, waarbij de tussenruimte klein genoeg is om tunnelen van elektronen tussen de elektroden mogelijk te maken; waarbij de isolatorelementen over een indringdiepte in de elektroden zijn aangebracht.

10 Voor het vervaardigen van de uitvinding zijn verschillende uitvoeringen mogelijk, waarvan platen, die zijn voorzien van een opgedampte verwijderbare laag met een uniforme dikte van enkele nanometers, de voorkeur genieten. De platen kunnen eventueel als postzegels worden geperforeerd en als folies op elkaar gelegd, waarbij tussen de lagen om de 10 tot 20 micrometer, gezien in de richting van een oppervlak van de platen, een isolatorelement van 15 kwarts of keramiek met een diameter van 100 tot 300 nm wordt aangebracht. De lagen en de isolatorelementen worden vervolgens plastisch in en op elkaar geperst, waarbij de isolatorelementen in de folie wordt gedrukt en waarbij het foliemateriaal zo veel mogelijk plastisch vervormt. Om de plasticiteit te verhogen wordt de folie van te voren zachtgegloeid eri voor de stabiliteit later weer veredeld tot een harder materiaal. Tussen de platen ontstaat 20 aldus een verwijderbare laag met een uniforme dikte van enkele nanometers.

De bovenste en onderste laag zijn dikker en bestaan uit één stuk, zodanig dat er aan de randen ruimte is voor het aanbrengen van een elastische afdichting. Vervolgens wordt de verwijderbare laag bij de juiste temperatuur verdampt en via een doorvoer bij de afdichting afgezogen. Als alle damp is verwijderd wórdt de doorvoer dichtgesmolten en is de energie-25 omvormer vacuümdicht afgesloten. Vervolgens kan de TIG eventueel in een tweede behuizing worden gebracht, waarin de elektrische contacten zijn aangebracht en waar eventueel met behulp van een piëzo-laag de dikte van de spleten tussen de platen elastisch kan worden gecontroleerd met een regeling, door terugkoppeling van de tunnelstroóm door de diode. Eventueel kan ook lokaal de stroomdichtheid over het oppervlak gelijkmatig worden 30 verdeeld. Deze regeling is ook eenmalig uit te voeren door de tunnelstroom mechanisch met wiggen of ander mechanismen in het begin op de juiste waarde te kalibreren. Om grote stroomschommelingen, welke kunnen optreden door trillingen en vervormingen, te vermijden zal de stroom zodanig worden gekozen, dat deze grotendeels door de stabiele inwendige weerstand van de TIG zal worden bepaald.

1029477

' I

-6-

Door vooraf in de geleidende folie, op de plaats waar de isolatorelementen moeten komen, kuilen te persen, worden de isolatorelementen beschermd tegen eventueel verbrokkelen en hoeft er bij het inpersen van de isolatorelementen minder isolatormateriaal te worden weggevloeid. Tevens is het dan eenvoudiger om de isolatorelementen bij de fabricage 5 op hun plaats te krijgen en de overtollige isolatorelementen te verwijderen. Na het inbrengen kunnen daarna de folies en een dikkere boven- en onderplaat, voor het aanbrengen van elektrische of thermische contacten, op elkaar worden gebracht en in een eindbewerking op elkaar worden geperst voor het kopiëren van eikaars oppervlak.

Een andere mogelijkheid is door de geleiderfolie, -platen of -elementen van een 10 schuimkem te voorzien, waardoor er in het schuim een kreukelzone ontstaat, waarin het weg te persen isolatormateriaal met een dan kleinere kracht kan worden weggedrukt.

Andere uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn onder andere: • Mengsels van elektroden of platen en isolatorelementen in een vacuümruimte tussen een verdikte emitter en collector, die de tussenliggende elektroden en 15 isolatorelementen gecontroleerd in elkaar drukken, totdat de afstand tussen de elektroden enkele nanometers is en er een tunnelstroom optreedt.

• Niet aan elkaar hechtende platen door deze om en om van verschillend en enigszins onderling afstotend materiaal té maken en deze met isolatorelementen ertussen in elkaar te persen en vervolgens elastisch terug te laten veren tot er een spleet van 20 enkele nanometers ontstaat.

• Eveneens niet hechtende op elkaar geperste platen, waarbij de isolatorelementen, vanwege een grotere thermische uitzettingscoëfficiënt dan de elektroden, de afstand tussen de platen op enkele nanometers brengen Het geheel is zodanig geconstrueerd, dat de gewenste tussenruimte bij de operationele temperatuur optreedt.

25 · Geleidende lagen, welke middels mechanische of elektrolytische dispositie op een substraat worden aangebracht, waarbij na het aanbrengen van elke laag er nano-isolatorelementen op worden gestrooid. Vervolgens wordt er een dunne verwijderbare laag aangebracht middels opdampen, waarbij de materialen zodanig zijn gekozen dat er geen opdamping plaatsvindt op de isolatorelementen, welke daardoor niet bedekt 30 worden door een verwijderbare laag. Op de verwijderbare laag en de isolatieelementen wordt vervolgens weer een geleidende laag .aangebracht door depositie en wordt het proces herhaald tot het benodigde aantal lagen is bereikt. Vervolgens worden de verwijderbare lagen door verdampen of diffusie verwijderd, zodanig dat er tussen de 1029477

1 I

-7- geleidende lagen spleten ontstaan met een hoogte in de orde van een nanometer, waardoor een tunnelstroom kan stromen.

Bij de TU Delft is ontdekt dat de tunnelstroom nog meer wordt versterkt als de isolatorelementen kleiner zijn dan de Debye-afstand, de zogenaamde reikwijdte van de 5 elektronen. Deze Debye-afstand is afhankelijk van de geleidbaarheid van het elektrodemateriaal en wordt groter bij slechtere geleidbaarheid. Bij toepassing van halfgeleiders kan deze geleidbaarheid worden ingesteld door dotering van donoratomen. Door laag te doteren wordt de Debye-afstand vergroot en treedt de tunnelstroomversterking op bij grotere isolatorelementen en grotere spleten. Bij deze toepassing wordt de maakbaarheid 10 vereenvoudigd. Tevens is door het toepassen van halfgeleiders de werkfunctie van de elektroden lager en is er een lagere temperatuur nodig om een effectieve thermionische stroom op gang te krijgen. Bij toepassing van hoge temperaturen zullen keramische halfgeleiders worden toegepast, zoals cobaltoxides of metaalsilicides.

Vanwege de compacte uitvoering dient de uitvinding eveneens van een compacte 15 warmtetoevoer en-afvoer te worden voorzien.

De energie-omzetinrichtingen zullen daarom op elkaar worden gestapeld met om en om de warme en de koude kant naar elkaar toe. In de aldus ontstane warme ruimte zal bij voorkeur directe verbranding plaats vinden bij een hoge temperatuur om zoveel mogelijk schone en volledige verbranding te laten optreden. Bij voorkeur met een stralingsemitter, 20 welke ook nog extra energie overbrengt middels straling en het systeem aldus nog compacter maakt. De tegenoverliggende koude ruimte dient bij voorkeur te worden gekoeld met heat pipes, welke een zeer goede warmteoverdracht geven. Bij de uitvoering voor lage-temperatuur toepassingen, zoals omzetting van afvalwarmte of als warmtepomp voor verwarming en koeling zal er bij voorkeur aan beide zijden, d.w.z. in de warme ruimte en in de koude ruimte, 25 met heat pipes worden gewerkt.

Een zeer compacte uitvoering wordt verkregen door in de warme ruimte een isotoop te plaatsen, welke middels een nucleaire reactie warmte opwekt, die de TIG's in elektrische stroom zullen omzetten. Ook kan geconcentreerd zonlicht de warme zijde van de TIG's direct bestralen en van warmte voorzien.

30 Omdat energieleverende TIG's aan de warme zij de onder andere gebruik maken van hete gassen, welke door verbranding worden opgewarmd en deze gassen eveneens heet de TIG's verlaten zal er veel restwarmte verloren gaan als deze niet op een andere manier nuttig worden gebruikt.

1029477

• I

! -8-

De TIG's kunnen de restwarmte gedeeltelijk zelf gebruiken door de inkomende procesgassen voor te warmen met deze restwarmte middels een recuperator. Vanwege een stabiele verbranding is dit niet mogelijk tot elke temperatuur en blijft er alsnog nuttig te gebruiken restwarmte over. Deze overblijvende restwarmte kan weer nuttig worden gebruikt 5 door achter de TIG unit een warmte of arbeidsleverende unit te schakelen, zoals een gasturbine, heteluchtmotor, stoomturbine, stoomgenerator of verwarmer enz. Voor processen bij hoge temperatuur kan de na te schakelen unit voor de recuperator worden geplaatst en voor midden of lage temperatuur processen achter de recuperator.

Volgens een verder aspect verschaft de onderhavige uitvinding een generatoreenheid 10 omvattende om en om aangebrachte energie-omzetinrichtingen zoals bovenbeschreven.

Volgens een verder aspect verschaft de onderhavige uitvinding een warmtepomp omvattende om en om aangebrachte energie-omzetinrichtingen zoals bovenbeschreven.

Met de warmtepomp kan zowel verwarmd als gekoeld worden. Bij de onderhavige uitvinding zijn de te controleren oppervlakken drastisch kleiner vanwege de vrijheid van de 15 licht aan elkaar gekoppelde elektroden, welke op overbrugbare afstanden door isolatorelementen op een controleerbare afstand worden gehouden.

Verdere voordelen en kenmerken van de onderhavige uitvinding zullen worden verduidelijkt aan de hand van de bijgevoegde figuren, waarin: fig. 1 een schematische dwarsdoorsnede toont van een eerste uitvoeringsvorm van een 20 energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 2 een detail toont van de energie-omzetinrichting van fig. 1; fig. 3 een generatoreenheid omvattende energie-omzetinrichtingen volgens de onderhavige uitvinding toont; fig. 4 een generatoreenheid omvattende energie-omzetinrichtingen volgens de 25 onderhavige uitvinding toont; fig. 5 A een tweede uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding toont; fig. 5B een derde uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding toont;

30 fig. 6 een schema van een eerste uitvoeringsvorm van een energieleverende energie- I

omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding toont; fig. 7 een schema van een tweede uitvoeringsvorm van een energieleverende energie-omzetinrichting volgens de Onderhavige uitvinding toont; 1029477

• I

-9- fïg. 8 een schema van een eerste uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de onderhavige uitvinding toont; fig. 9 èen schema van een tweede uitvoeringsvorm van een warmtepomp volgens de onderhavige uitvinding toont; 5 . fig. 10 een schema van een derde uitvoeringsvorm van een energieleverende energie- omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding toont; fig. 11 een schema van een vierde uitvoeringsvorm van een energieleverende energie-omzetinrichting volgens de onderhavige uitvinding toont; fig. 12 een dwarsdoorsnede toont van een eerste uitvoeringsvorm van een elektrode en . 10 . isolatorelementen volgens de onderhavige uitvinding, in een eerste toestand; fig. 13 een dwarsdoorsnede toont van de uitvoeringsvorm van een elektrode en isolatorelementen uit fig. 12, in een tweede toestand; .

fig. 14 een dwarsdoorsnede toont van de uitvoeringsvorm van een elektrode en isolatorelementen uit fig. 12, in een derde toestand; 15 fig. 15 een dwarsdoorsnede toont van een tweede uitvoeringsvorm van een elektrode en isolatorelementen volgens de onderhavige uitvinding, in een eerste toestand; fig. 16 een dwarsdoorsnede toont van de tweede uitvoeringsvorm van een elektrode en isolatorelementen uit fig. 15, in een tweede toestand; en fig. 17 een dwarsdoorsnede toont van de tweede uitvoeringsvorm van een elektrode en 20 isolatorelementen uit fig. 15, in een derde toestand.

In figuur 1 is een uitvoeringsvorm van een energie-omzetinrichting of TIG getoond met tussenruimtes of spleten 1, welke zijn ontstaan door verwijderbare lagen tussen . elektrodeplaten 2 weg te verdampen. Isolatorelementen 3 houden de elektrodeplaten 2 op een afstand van enkele nanometers om het optreden van een tunnèlstroom tussen de 25 elektrodeplaten te garanderen. De elektrodeplaten zijn bij voorkeur 0,1 tot 1 mm groot en gevormd door deze eventueel op de wijze van postzegels in een folie te perforeren, om zodoende voldoende bewegingsvrijheid te hebben om thermische uitzetting te kunnen opvangen. Een onderste contactelektrode 4 en een bovenste contactelektrode 5 zijn dikker en uit een stuk om een stevig geheel te vormen en om een elastische balgvormige afdichting 6, 3 0 omvattende isolerend kwarts of keramisch materiaal, te kunnen verbinden door middel van

een uitsparing. De eventueel als postzegelboeken geperforeerde folie 7 wordt uit oogpunt van vereenvoudigde fabricagetechniek gebruikt om zo een hanteerbaarder geheel te krijgen. Door de perforatie zullen de elektrodeplaten onderling elastisch of afgescheurd zich bij uitzetting J

zonder het optreden van ontoelaatbaar hoge spanningen en vervormingen kunnen bewegen.

J 02 94 77 -10- * .

Bij voorkeur hebben de isolatorelementen een diameter van ongeveer 100 tot ongeveer 500 nm.

Andere uitvoeringsvormen met niet aan elkaar hechtende elektroden zijn in eindvorm identiek aan figuur 1. Het verschil is dat de spleten dienen te worden gecontroleerd met een 5. drukmechanisme dat een optimale en langdurige werking dient te waarborgen. Voor bovengenoemde uitvoering is dit ook een optie en zal verderop in figuur 5 worden beschreven.

Verder zullen niet-hechtende elektrodeplaten na persen daarvan van elkaar los worden getrild met ultrasone trillingen.

10 In figuur 2 is een gedeelte van een uitvoeringsvorm te zien met gemengde geleiderelementen of elektroden 8 en isolatorelementen 9. Deze uitvoeringsvorm is goedkoop met conventionele technieken te maken, omdat er niet echt sprake is van nanotechnologie.

Door de enigszins willekeurige vorm zullen de spleten 10 niet uniform zijn en is dé I

tunnelstroom, maar ook de isolatie niet optimaal. Ook kunnen verschillende platen met elkaar 15 in contact komen, waardoor zij hun functie verliezen, echter door het grote aantal zullen er voldoende platen zijn welke wel functioneren en.heeft dit weinig invloed. Wel is het j rendement hoger dan van conventionele TIG's en ook van conventionele thermokoppels of j thermo-elektrische generatoren (TEG's). Dit goedkope alternatief kan dienst doen voor tijdelijk toepassingen, zoals wegwerpartikelen die een zeer compacte energiebron nodig 20 hebben.

In figuur 3 zijn gestapelde TIG's 11 te zien met warme ruimtes 12 waarin een stralingsemitter 13 wordt opgewarmd door verbrandend gas, of damp van verdampte brandbare vloeistoffen dat in de riiimte 14 wórdt gepompt. Tevens wordt ér lucht in de ruimte ! 15 gepompt om op of in de buurt van de emitter 13 gemengd met het gas te gaan branden. De 25 warmte van de verbranding wordt middels convectie overgébracht naar dé TIG's 11 en ! middels straling door de stralingsemitter 13. In koude ruimtes 16 wordt condensaat van een koelmedium via de inlaat 21 op de koelribben 17 aan de koude kant van de TIG's 11 verdampt en wordt deze met de latente warmte van het medium gekoeld en via de uitlaat 22 weer afgevoerd. Bij voorkeur wordt het condensaat aangevoerd door de werking van de j 30 zwaartekracht vanaf een externe condensor. Voor transportabele TIG's zal het koelmedium- transport capillair zijn door middel van capillaire groeven in transportbuizen of door een lont.

De warme en de koude kant wordt van elkaar gescheiden door thermische isolatie 18. De TIG's worden elektrisch in serie geschakeld met de geleiders 19 door de emittorelektrode of warme kant door te schakelen met de collectorelektrode of koude kant. De afVoergassen i 1029477 -11 - worden afgevoerd bij de uitlaten 20. Het brandbare mengsel wordt ontstoken door een gloeidraad of vonkontsteker 44.

In figuur 4 zijn gestapelde TIG's 11 te zien, welke geschikt is voor lage-temperatuur toepassingen. Hierbij bestaat de warme kant 12 eveneens uit ribben 17, waarop damp via de 5 inlaat 21 van een koelmedium condenseert, terwijl de condens via de uitlaat 22. Bij voorkeur wordt de condens door middel van de zwaartekracht afgevoerd en via een heat pipe verbonden met de warmtebron, welke het medium verdampt. De koude kant werkt hetzelfde als in figuur 3.

Figuur 5A toont een behuizing 23 die de tussenruimtes of spleten van de TIG 10 controleert, waarbij de TIG 11 wordt ingedrukt met een piëzo-element 24, dat uitzet als er een elektrische spanning op wordt gezet. Met dit element wordt de tunnelstroom, welke door de geleiders 25 stroomt, optimaal geregeld door een regelaar 26. Is de stroom te laag, dan wordt de elektrische spanning op het element verhoogd, totdat de stroom door de geleider op een gewenste optimale waarde komt. Is de stroom te hoog dan wordt de elektrische spanning 15 verlaagd. Optioneel wordt het piëzo-element in vier of meer delen 27 gesplitst, waarbij met ; fuzzy logic de delen ieder apart een kleine verplaatsing uitvoeren en convergerend de juiste lokale stand proberen te vinden, waarbij de optimale stroom optreedt. Optioneel wordt de TIG eenmalig voor aflevering of bij onderhoud met wiggen 28 of ander mechanisme op de juiste diodespleetdiktes gekalibreerd (fig. 5B).

20 In figuur 6 is het schema van een energieleverende energie-omzetinrichting te zien. De hete uitlaatgassen uit de warme ruimtes 29 worden naar een recuperator 30 geleid, waar hun warmte wordt afgestaan aan de inkomende verbrandingslucht 31 en de inkomende verbrandingsgassen of vloeistoffen 32. De afgekoelde uitlaatgassen worden afgevoerd naar een schoorsteen 33 en de opgewarmde procesgassen gaan gescheiden naar de 25 verbrandingsruimte 34 waar ze gemengd en verbrand worden. De damp van het koelmedium dat in de koude ruimte 35 van de TIG's wordt verdampt gaat door middel van een heat pipe 36 naar een condensor 37, waar het medium condenseert door zijn latente warmte af te staan aan koellucht of koelwater 38 uit de omgeving. De condens stroomt door middel van de zwaartekracht of capillair in de heat pipes weer terug naar de koude ruimte van de TIG's. De 30 elektrische stroom welke door de stapel elektrodes en isolatorelementen wordt opgewekt wordt naar een omvormer 45 geleid, welke deze in de gewenste elektrische stroom en spanning omzet.

In figuur 7 is het schema getekend van een energieleverende energie-omzetinrichting getoond, die geschikt is voor een lage-temperatuurscircuit dat wordt gevoed door restwarmte 1029477 _ -12- of wannte uit een duurzame bron. De warmte van de bron 39 wordt door middel van heat pipes, vloeistoffen of gassen 40 naar de warme ruimte 34 van TIG's gebracht. De koude ruimtes 35 worden gekoeld middels heat pipes, vloeistoffen of gassen 38 aan de omgeving.

In figuur 8 is het schema getekend van een warmtepompende energie-omzetinrichting, 5 welke geschikt is voor koeling. Bij koeling worden de koude ruimtes 35 van de TIG's in direct contact, middels heat pipes, gassen of vloeistoffen 38 verbonden met het te koelen object of ruimte 42. De hete of warme ruimtes 29 worden gekoeld met heat pipes, vloeistoffen en gassen 41 aan de omgeving. De toevoer van de elektrische stroom wordt verzorgd door een regelaar 46, welke is aangesloten op het elektrisch net of een andere stroom- of 10 spanningsbron.

In figuur 9 is een schema getekend van een warmtepompende energie-omzetinrichting, welke geschikt is voor verwarming. Bij verwarming worden de hete of warme ruimtes 29 van de TIG's in direct contact, middels heat pipes, gassen of vloeistoffen 41 verbonden met het te verwarmen object of ruimte. De koude ruimtes 35 worden dan opgewarmd met heat pipes, 15 vloeistoffen en gassen 43 vanuit de omgeving.

In figuur 10 is een schema getekend van een energieleverende eenheid, waarachter een hoge-temperatuurs warmte- of arbeidsleverende eenheid 47 is geplaatst. De restwarmte met hoge temperatuur in de uitlaat wordt hierbij geheel of gedeeltelijk door de warmte- of arbeidsleverende eenheid 47 gebruikt door deze voor de recuperator 30 te plaatsen.

20 In figuur 11 is een schema getekend van een energieleverende energie- omzetinrichting, waarachter een warmte- of arbeidsleverende inrichting 48 voor middelmatige of lage temperatuur is geplaatst. De restwarmte met hoge temperatuur in de uitlaat wordt hierbij geheel of gedeeltelijk door de wannte- of arbeidsleverende unit 48 gebruikt door deze achter de recuperator 30 te plaatsen.

25 In figuur 12 is een gedeelte van elektrode 49 met een schuimkem 50 getoond, waarbij een nog in te drukken isolatorelement 51 is geschetst.

In figuur 13 zijn de isolatorelementen 52 in de elektroden geperst en zijn de elektrodeoppervlakken door het persen potendeels plastisch bij de juiste temperatuur op elkaar gekopieerd of gespiegeld en is de schuimkem eveneens plastisch vervormd om het 30 elektrodemateriaal ruimte te geven om te vervormen.

In figuur 14 zijn door de restelasticiteit de isolatorelementen en de elektrodes na het persen weer teruggeveerd en wordt er door de niet getekende behuizing een vrijheid gelaten, waarbij er een spleet 53 in de orde van 2 nm tussen de elektrodes ontstaat. Het materiaal van 1029477 -13- de op elkaar gestapelde elektrodes is om en om verschillend en zodanig dat ze slecht met elkaar hechten.

Om het loslaten te garanderen worden de platen eveneens door bijvoorbeeld schokken of ultrageluid losgetrild.

.5 In figuur 15 is een gedeelte van met kuilen voorbewerkte elektrodeplaten 49 getekend, waarbij isolatorelementen 51 zijn ingebracht.

In figuur 16 zijn de isolatorelementen grotendeels plastisch dieper in de elektrodeplaten ingeperst 52 en zijn de elektrodeplaten bij de juiste temperatuur grotendeels plastisch op elkaar gekopieerd of gespiegeld.

10 In figuur 17 zijn door de restelasticiteit de isolatorelementen en de elektrodes na het persen weer teruggeveerd en wordt er door de niet getekende behuizing een vrijheid gelaten, waarbij er een spleet 53 in de orde van 2 nm tussen de elektrodes ontstaat. Het materiaal van de op elkaar gestapelde elektrodes is om en om verschillend en zodanig dat ze slecht met elkaar hechten.

15 Om het loslaten te garanderen worden de elektrodes eveneens door bijvoorbeeld schokken of ultrageluid losgetrild.

De onderhavige uitvinding is niet beperkt tot de bovenbeschreven uitvoeringsvormen daarvan, waarin velerlei wijzigingen en modificaties denkbaar zijn binnen de strekking van de bij gevoegde conclusies.

J 02 94 77

Claims

1. Energie-omzetinrichting voor het omzetten van warmte in elektrische energie of vice versa, omvattende: - een aantal elektroden met oppervlakken die met een tussenruimte ten opzichte van elkaar zijn aangebracht; 10. een aantal isolatorelementen die tussen de elektroden zijn aangebracht voor het vormen van de tussenruimte, waarbij de tussenruimte klein genoeg is om tunnelen van elektronen tussen de elektroden mogelijk te maken; waarbij de isolatorelementen over een indringdiepte in de elektroden zijn aangebracht.

2. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1, waarbij tegenovergelegen uiteinden van i de isolatorelementen over een indringdiepte in de respectieve elektrode zijn aangebracht.

3. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij de indringdiepte groot is ten opzichte van de tussenruimte. 20

4. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 3, waarbij de indringdiepte ten minste 40 keer groter is dan de tussenruimte.

5. Energie-omzetinrichting volgens een van de conclusies 1-4, waarbij de 25 isolatorelementen een diameter hebben die groot is ten opzichte van de tussenruimte.

6. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 5, waarbij de diameter van de isolatorelementen ten minste vijf keer groter is dan de tussenruimte.

7. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 5, waarbij de diameter van de isolatorelementen ten minste 25 keer groter is dan de tussenruimte.

8. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 5, waarbij de diameter van de isolatorelementen ten minste 100 keer groter is dan de tussenruimte. 1029477 -15-

9. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 5, waarbij de diameter van de isolatorelementen ten minste 500 keer groter is dan de tussenruimte.

10. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een onderste en bovenste contactelektrode zijn voorzien van contacten voor het geleiden van elektrische stroom of voor het vormen van een thermisch contact met respectievelijk een warme bron en een koude bron of put.

11. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een van de tussenruimtes is opgevuld met een dunne open elastische geleidende schuimplaat. !

12. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 10, waarbij de contactelektroden aan zijranden daarvan zijn afgedicht met een isolerende elastische afdichting.

13. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 12, waarbij de elastische afdichting hoofdzakelijk balgvormig is.

14. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 12 of 13, waarbij de elastische afdichting 20 gemaakt is van een isolerend keramisch materiaal dat bestand is tegen relatief hoge temperatuur.

15. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de elektroden hoofdzakelijk plaatvormig zijn. 25

16. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de elektroden een dikte hebben in de orde van 1 tot 10 micrometer.

17. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de 30 tussenruimten of spleten tussen de elektroden gevuld zijn met gas met een lage druk.

18. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 17, waarbij het gas cesium omvat voor het verlagen van de werkfunctie. -16-

19. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 1, waarbij de tussenruimte hoofdzakelijk vacuüm is.

20. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de 5 tussenruimte tussen de elektroden enkele nanometers is.

21. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de isolatorelementen elementen zijn met een diameter van ongeveer 100 tot 500 nanometer.

22. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de isolatorelementen met een tussenafstand van 1 tot 50 micrometer ten opzichte van elkaar tussen de elektroden zijn aangebracht.

23. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 10, waarbij elektroden die tussen de 15 bovenste en onderste contactelektrode zijn aangebracht geperforeerd zijn als postzegels.

24. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 23, waarbij de elektroden ter plaatse van de perforatie voorzien zijn van groeven.

25. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de elektroden een schuimkem omvatten.

26. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 25, waarbij de schuimkem tijdens het inpersen van de isolatorelementen is samengedrukt. 25

27. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de elektroden op de plaats waar de isolatorelementen moeten komen zijn voorzien van uitsparingen.

28. Energie-omzetinrichting volgens conclusie 27, waarbij de elektroden zijn aangebracht in een behuizing, waarbij de energie-omzetinrichting aan de warme en de koude kant van elektrische contacten is voorzien, waarbij een piëzo-element aan de koude zijde is aangebracht voor het met behulp van een regelaar controleren van de spleetgrootte en voor het instellen van de tunnelstroom op een gewenste waarde. -17-

29. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de contactelektroden in een behuizing zijn aangebracht, waarbij aan de warme en aan de koude contactelektrode elektrische contacten zijn aangebracht, omvattende een 5 verplaatsingsmechanisme voor het bij thermische belasting kalibreren van een gewenste elektrische stroom.

30 Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij een elektrische stroom door de tussenruimte tussen de elektroden zodanig is afgesteld dat de 10 elektrische stroom in verzadiging is.

31. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de elektroden van halfgeleidermateriaal zijn.

32. Energie-omzetinrichting volgens een van de voorgaande conclusies, waarbij de elektroden van keramische halfgeleiders zijn.

33. Werkwijze voor het vervaardigen van een energie-omzetinrichting, omvattende de stappen van: 20. het verschaffen van een aantal elektroden met oppervlakken; - een aanbrengen van een aantal isolatorelementen tussen de oppervlakken van de elektroden voor het vormen van een tussenruimte, waarbij de tussenruimte klein genoeg is om tunnelen van elektronen tussen de elektroden mogelijk te maken; waarbij de isolatorelementen over een indringdiepte in de elektroden zijn aangebracht. 25

34. Werkwijze volgens conclusie 33, waarbij de tussenruimten tussen de elektroden vervaardigd worden door een van tevoren op de elektroden aangebrachte laag na het indringen van de isolatorelementen weg te dampen, weg te diffunderen en/of op te lossen.

35. Werkwijze volgens 33 of 34, waarbij de tussenruimte 1 tot 20 nanometer is.

36. Werkwijze volgens een van de conclusies 33-35, waarbij de tussenruimte aangebracht wordt door het elastisch terugveren van de ingeperste isolatorelementen en/of het -18- elektrodemateriaal, waarbij de platen om en om van een verschillend niet hechtend enigszins onderling afstotend materiaal zijn gemaakt.

37. Werkwijze volgens een van de conclusies 33-36, waarbij de uitzettingscoëfïïciënt van 5 de isolatorelementen groter is dan de uitzettingscoëfficiënt van de elektroden, waarbij de gewenste tussenruimten tussen de elektroden optreedt bij de operationele temperatuur.

38. Werkwijze volgens een van de conclusies 33-37, waarbij een mengsel van elektroden en isolatorelementen tussen dikkere buitenste contactelektroden in elkaar worden gedrukt, 10 totdat de spleten tussen de elektroden enkele nanometers hoog zijn en er bij een temperatuurverschil een tunnelstroom gaat lopen.

39. Werkwijze volgens een van de conclusies 33-38, waarbij de elektroden groter zijn dan de isolatorelementen. 15

40. Werkwijze volgens een van de conclusies 33-39, omvattende de verdere stappen van: - het door middel van mechanische of elektrolytische dispositie op een substraat aanbrengen van de elektroden, waarbij vervolgens op de elektroden isolatorelementen wordt gestrooid; - het opdampen van een verwijderbare laag op de geleidende laag; 20. het herhalen van bovengenoemde stappen tot er voldoende geleidende lagen zijn ontstaan; - het verwijderen van de verwijderbare laag door middel van wegdampen of diffunderen.

41. Generatoreenheid volgens conclusie 41, omvattende koude en warme ruimtes die tussen respectieve energie-omzetinrichtingen zijn aangebracht, waarbij er in de warme ruimtes gassen worden verbrand, welke de energie-omzetinrichtingen op warmen, en waarbij in de koude ruimtes, die voorzien zijn van koelribben, condensaat wordt verdampt om de 30 energie-omzetinrichtingen aan de koude kant te koelen.

41. Generatoreenheid omvattende om en om aangebrachte energie-omzetinrichtingen volgens een van de conclusies 1 tot en met 32. 25

42. Generatoreenheid volgens conclusie 41, waarbij er in de warme ruimtes een stralingsemitter op een nog warmere temperatuur is opgewarmd die de energie-omzetinrichtingen door straling van een grotere warmteflux voorziet. -19-

43. Generatoreenheid volgens conclusie 41 of 42, waarbij er in de warme ruimtes, die voorzien zijn van ribben, een hete damp condenseert voor het verbrandingsloos naar de energie-omzetinrichtingen overbrengen van warmte. 5

44. Generatoreenheid volgens een van de conclusies 41-43, waarbij de warme ruimtes, die i voorzien zijn van ribben, ingericht zijn voor het stromen van hete gassen of vloeistoffen voor i het verbrandingsloos overbrengen van warmte naar de energie-omzetinrichtingen.

45. Generatoreenheid volgens een van de conclusies 41-44, waarbij in de warme ruimtes een isotoop is aangebracht, voor het van nucleair opgewekte warmte voorzien van de energie-omzetinrichtingen.

46. Generatoreenheid volgens een van de conclusies 41-45, waarbij in de warme ruimtes 15 oppervlakken zijn ingericht voor het direct door geconcentreerd zonlicht bestralen daarvan.

47. Generatoreenheid volgens een van de conclusies 41-46, omvattende een recuperator voor het daardoorheen stromen van hete afvoergassen, voor het voorwarmen van de ingaande verbrandingslucht en de ingaande brandstof voor de generatoreenheid. 20

48. Generatoreenheid volgens een van de conclusies 41-47, waarbij nabij de recuperator een warmte- of arbeidleverende eenheid is aangebracht voor het gebruik maken van restwarmte.

49. Generatoreenheid volgens conclusie 41, waarbij achter de recuperator een warmte- of arbeidleverende eenheid is aangebracht, voor het gebruik maken van restwarmte.

50. Warmtepomp omvattende energie-omzetinrichtingen volgens een van de conclusies 1 tot en met 32 die onderling respectievelijk gescheiden zijn door koude of warme ruimtes, 30 waarbij er door de energie-omzetinrichtingen volgens het Peltier-effect een elektrische stroom wordt gevoerd voor het verpompen van warmte van een warme ruimte naar een koude ruimte of andersom. -20-

51. Warmtepomp volgens conclusie 50, waarbij warmte wordt geleverd door vloeistoffen of gassen, die langs ribben verbonden aan de energie-omzetinrichtingen stromen en waarbij de warmte in tegenoverliggende ruimtes wordt afgevoerd door vloeistoffen of gassen, die langs ribben verbonden aan de energie-omzetinrichtingen stromen. 5

52. Warmtepomp volgens conclusie 50 of 51, omvattende heat pipes voor het verzorgen van koeling door verdampende condens.

53. Warmtepomp volgens conclusie 50 of 52, omvattende heat pipes voor het verzorgen 10 van verwarming door condenserende damp. i 1029477