NL8301436A - Thermo-elektrisch stelsel. - Google Patents

Description

__ 4 ♦ 70 Ifftó ft

Betr.: Thermo-elektrisch stelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een nieuw en verbeterd thermo-elektrisch stelsel, voorzien van warmtepijpen met tenminste een in hoofdzaak planaire zijwand voor het op een doeltreffende wijze over dragen van warmte naar de thermo-elektrische inrichtingen van 5 het stelsel.

Men heeft ingezien, dat de wereldvoorraad aan fossiele-hrandstof voor het opwekken van energie met een steeds grotere snelheid wordt uitgeput. Deze realisatie heeft geleid tot een energiecrisis, welke niet slechts de wereldeconomie treft, doch de vrede en stabiliteit 10 van de wereld bedreigt. De oplossing voor de energiecrisis ligt in het ontwikkelen van nieuwe brandstoffen en meer doeltreffende methoden voor het gebruik daarvan. Daartoe heeft de uitvinding betrekking op het behoud van energie, het opwekken van energie, verontreiniging en het verschaffen van nieuwe, zakelijke mogelijkheden door het ontwikkelen van 15 nieuwe,thermo-elektrische stelsels, welke meer elektriciteit verschaffen.

Een belangrijk deel van de oplossing ten aanzien van het tot stand brengen van een permanente, economische energie-omzetting ligt op het terrein van de thermo-elektrika, waarbij elektrische energie door warmte wordt opgewekt. Men heeft geschat, dat meer dan twee-derde van 20 alle energie, bijvoorbeeld uit de uitlaatpijpen van auto's of centrales, verloren gaat en aan de omgeving wordt af gegeven. Tot nu toe heeft deze thermische verontreiniging geen ernstig klimatologisch effect. Men heeft echter voorspeld, dat wanneer het energieverbruik van de wereld toeneemt, de invloed van de thermische verontreiniging tenslotte zal leiden tot 25 een gedeeltelijk smelten van de ijskappen aan de polen met een dientengevolge verhoging van het zeeniveau.

Op een soortgelijke wijze voor ziet de uitvinding in een goedkoop, doeltreffend en economisch thermo-elektrisch stelsel voor het opwekken van elektrische energie uit de verlieswarmte, welke wordt opge-30 wekt door centrales, geothermische plaatsen, auto’s, vrachtauto’s en bussen. Door derhalve de verlieswarmte van deze en andere bronnen te gebruiken, kan door de regeneratie van elektriciteit een direkte reductie in de thermische verontreiniging worden verkregen, terwijl wordt bijgedragen tot het behoud van waardevolle, eindige energiebronnen.

35 Het rendement van een thermo-elektrisch stelsel is ten dele afhankelijk van de bedrijfskarakteristieken van de thermo-elektrische 8301436 i ·* > , - 2 - inrichtingen of de daarin aanwezige inrichtingen. De werking van een thermo-elektrische inrichting kan op zijn "beurt worden uitgedrukt in thermen van een kwaliteitsgetal (Z) voor het materiaal, waaruit de inrichtingen "bestaan, waarbij Z wordt gedefinieerd door :

K

3 waarbij : Z wordt uitgedrukt in eenheden x 10 S de Seeb«*ck-coëfficiëht in V/° C is K de thermische geleiding in mW/cm-0 C is σ'de elektrische geleiding in (Λ--cm)” is.

10 Uit het bovenstaande blijkt, dat wil een mat'eriaal geschikt zijn voor thermo-elektrische energie-omzetting, het materiaal een grote waarde voor de thermo-elektrische Seebeek-energiecoëfficiënt (S), een grote elektrische geleiding (σ') en een kleine thermische geleiding (K) moet hebben. Voorts heeft de thermische geleiding (K) twee componenten: K £ , 15 de rooster componenten; en K^, de elektrische component. Bij niet-metalen domineert en het is deze component,. welke in hoofdzaak de waarde van K bepaalt.

Met andere woorden is het, wil een materiaal doeltreffend zijn voor thermo-elektrische energie-omzetting, van belang, dat het mogelijk 20 is dat dragers gemakkelijk vanuit de warme junctie naar de koude junctie diffunderen, waarbij de temperatuurgradiënt wordt onderhouden. Derhalve is naast een geringe thermische geleiding een grote elektrische geleiding nodig.

Thermo-elektrische energie-omzetting is tot nu toe niet op 25 grote schaal toegepast. De voornaamste reden hiervoor is, dat de bekende thermo-elektrische materialen, welke geschikt zijn voor commerciële toepassingen, een kristallijne structuur hebben. Kristallijne, vaste stoffen kunnen geen grote waarden van elektrische geleiding bereiken, terwijl een geringe thermische geleiding wordt onderhouden. Van het grootste 30 belang is, dat in verband met de kristallijne symmetrie, de thermische geleiding niet door modificatie kan worden geregeld.

In het geval van de gebruikelijke polykristallijne benadering, overheersen de problemen van de monokristallijne materialen nog steeds.

Er doen zich evenwel ook nieuwe problemen voor tengevolge van de poly-35 kristallijne korrelgrenzen, welke veroorzaken, dat deze materialen relatief geringe elektrische geleidingen hebben. Bovendien is de vervaar- 8301436 « * » · · - 3 - diging.van deze materialen ook moeilijk te regelen tengevolge van hun meer complexe kristallijne structuur. De chemische modificatie of dotering van deze materialen is, in verhand met de bovenstaande problemen, bijzonder lastig.

5 Tot de best bekende, op dit moment bestaande polykristallijne, thermo-elektrische materialen behoren (BijSb^Te^, FbTe, en Si-Ge. De (Bi,Sb)^Te^-materialen zijn het best geschikt voor toepassingen in het gebied van -10° C tot +150° C, waarbij de beste Z optreedt bij ongeveer 30° C. (BijSbJgTe^ stelt een continu, vaste oplossingsstelsel voor, 10 waarin de relatieve hoeveelheden van Bi en Sb variëren van 0 tot 100#.

Het Si-Ge-materiaal is het best geschikt voor toepassingen bij hoge temperatuur in het gebied van 600° C tot 1000° C, waarbij een bevredigende Z optreedt bij een temperatuur boven TOO0 C. Het polykristallijne PbTe-materiaal vertoont het beste kwaliteitsgetal in het gebied van 300° C 15 tot 500° 0. Geen van deze materialen is geschikt voor toepassingen in het gebied van 100° C tot 300° C. Dit is ongelukkig, aangezien juist in dit temperatuurgebied een groot aantal verschillende verlieswarmte-toepassingen worden gevonden. Tot deze toepassingen behoren geothermische verlieswarmte en verlieswarmte uit motoren met inwendige verbranding, . . 20 . zoals bijvoorbeeld vrachtauto’s, bussen en auto’s. Toepassingen van dit type zijn van belang, omdat de warmte echte verlieswarmte is. Warmte in de hogere temperatuurgebieden moet opzettelijk worden opgewekt met andere brandstoffen en is derhalve geen echte verlieswarmte.

Er zijn nieuwe en verbeterde thermo-elektrische legeringsma-25 terialen gevonden om in de genoemde temperatuurgebieden te worden toegepast. Deze materialen zijn beschreven in de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial Ho. 3^-1.86¾.

De daarin beschreven thermo-elektrische materialen kunnen in de stelsels hierin worden toegepast. Deze materialen zijn geen kristal-30 lijne eenfazematerialen, doch in plaats daarvan gedesorganiseerde materialen. Voorts zijn deze materialen meerfazematerialen met zowel amorfe als meervoudige, kristallijne fazen. Materialen van dit type zijn goede thermische isolatoren. Zij omvatten korrelgrenzen met verschillende overgangsfazen, die in samenstelling variëren van de samenstelling van 35 matrixkristallieten tot de samenstelling van de verschillende fazen in de korrelgrensgebieden. De korrelgrenzen zijn sterk gedesorganiseerd, waarbij de overgangsfazen fazen met grote thermische specifieke weerstand 8301436 ·# i - b - omvatten voor het verschaffen van een grote weerstand, hij thermische geleiding. In tegenstelling met de gebruikelijke materialen is het materiaal zodanig, dat de korrelgrenzen gebieden bepalen, welke daarin , geleidende fazen omvatten, welke voorzien in talrijke elektrische ge- 5 leidingsbanen door het massamateriaal teneinde de elektrische geleiding te vergroten zonder dat de thermische geleiding in hoofdzaak wordt beïnvloed. In vezen vertonen deze materialen alle voordelen van poly-kristallijne materialen met gewenst lage thermische geleidingen en kris-tallijne Seebeck-massa-eigenschappen. In tegenstelling met de gebruike-10 lijke polykristallijne materialen bezitten deze gedesorganiseerde meer- fazematerialen echter ook gewenst hoge elektrische geleidingen. Derhalve 2 kan, zoals m de bovengenoemde aanvrage xs beschreven, het S θ’-product voor het kvaliteitsgetal van deze materialen onafhankelijk maximaal worden gemaakt met gewenst lage thermische geleidingen voor de thermo-15 elektrische energie-opwekking.

Amorfe materialen, welke de grootste mate van desorganisatie voorstellen, zijn voor thermo-elektrische toepassingen vervaardigd. De materialen en werkwijzen voor het vervaardigen daarvan zijn volledig beschreven in bijvoorbeeld de Amerikaanse octrooischriften b. 177.^-73, 20 ^.1TT*^7^ en 4.178Λ15. De in deze octrooischriften beschreven materia len worden gevormd in een vaste, amorfe gastheermatrix met structurele configuraties, welke een locale in plaats van een lang-bereikorde hebben en elektrische configuraties bezitten, die een energiesprong en een elektrische activeringsenergie omvatten. Aan de amorfe gastheermatrix 25 wordt een modificatiemateriaal toegevoegd, dat canloopbanen bezit, die met de amorfe gastheermatrix, evenals met zichzelf samenwerken teneinde elektronische toestanden in de energiesprong te vormen. Deze onderlinge samenwerking modifieert in hoofdzaak de elektronische configuraties van de amorfe gastheermatrix teneinde de activeringsenergie in hoofdzaak 30 te reduceren en derhalve de elektrische geleiding van het materiaal in hoofdzaak te vergroten. De resulterende elektrische leiding kan worden geregeld door de hoeveelheid modificatiemateriaal, welke aan de gastheermatrix wordt toegevoegd. De amorfe gastheermatrix heeft normaliter een intrinsiekachtige geleiding en het gemodifieerde materiaal wijzigt 35 deze in een extrinsiekachtige geleiding.

Zoals eveneens daarin is beschreven, kan de amorfe gastheermatrix enkelvoudige paren met omloopbanen hebben, waarbij de omloop- 8301436 t · · - 5 - tanen van het modificatiemateriaal daarmede ssmenwerken teneinde de nieuwe elektronische toestanden in de energiesprong te vormen. Bij een andere uitvoeringsvorm kan de gastheermatrix in hoofdzaak een tetrahedrale ' i binding bezitten» waarbij het modificatiemateriaal in hoofdzaak op een 5 niet-substitutionele wijze wordt toegevoegd en waarbij de omloopbanen daarvan met de gastheermatrix samenwerken. Zowel d- als f-bandmaterialen» evenals boor en koolstof, welke multiorbitale mogelijkheden toevoegen, kunnen als modificatiemiddelen worden gebruikt voor het vormen van de._ nieuwe elektronische toestanden in de energiesprong.

10 Tengevolge van het bovenstaande hebben deze amorfe thermo- elektrische materialen een aanmerkelijk grotere elektrische geleiding.

Omdat zij echter na modificatie amorf blijven, behouden zij hun geringe thermische geleidingen, waardoor zij geschikt zijn voor thermo-elektrische toepassingen, meer in het bijzonder in hoge temperatuurgebieden boven 15 h00° 0.

Deze materialen worden op een atomair of microscopisch niveau gemodifieerd, waarbij de atomaire configuraties daarvan in hoofdzaak worden gewijzigd voor het verschaffen van de bovengenoemde, onafhankelijk vergrote elektrische geleidingen. In tegenstelling daarmede worden de 20 materialen, die in de genoemde aanvrage zijn beschreven, niet atomair gemodifieerd. In plaats daarvan worden zij vervaardigd op een wijze, waarbij in het materiaal op een macroscopisch niveau een desorganisatie wordt geïntroduceerd. Deze desorganisatie maakt het mogelijk, dat verschillende fazen, waaronder geleidende fazen, in het materiaal worden ge-25 ïntroduceerd, ongeveer op de wijze, zoals een atomaire modificatie in zuivere amorfe fazematerialen leidt tot een geregelde, grote elektrische geleiding» terwijl de desorganisatie in de andere fazen voorziet in een geringe thermische geleiding. Deze materialen zijn derhalve tussenmate-rialen in termen van hun thermische geleiding tussen amorfe en regulaire 30 polykristallijne materialen.

Een thermo-elektrische inrichting wekt elektriciteit op door het tot stand brengen van een temperatuurverschil over de daarin aanwezige materialen. De thermo-elektrische inrichtingen omvatten in het algemeen elementen van materiaal van zowel het p-type als n-type. In het ma-35 teriaal van het p-type drijft het temperatuurverschil positief geladen dragers vanaf de warme zijde naar de koude zijde van de elementen, terwijl hij het materiaal van het n-type het temperatuurverschil negatief 8301436 w * - 6 - geladen dragers vanaf de warmtezijde naar de koude zijde van de elementen drijft.

De gebruikelijke warmte-uitwisselaars, welke worden toegepast om warmte naar de thermo-elektrische inrichting over te dragen, zijn 5 groot, zwaar en ondoeltreffend. Zij omvatten vele, dicht hij elkaar gelegen, warmte-opzamelvlakken, welke kanalen bepalen, die gemakkelijk door de stroom van een verhit fluidum daarin verstopt raken. Voorts zijn > de gebruikelijke warmte-uitwisselaars zodanig ontworpen, dat de thermo- elektrische inrichtingen een integraal en onscheidbaar deel daarvan 10 vormen. Tengevolge van deze onscheidbaarheid van de thermo-elektrische inrichtingen, is het lastig, zo niet onmogelijk, deze te reinigen en te onderhouden.

De gebruikelijke warmte-uitwisselaars worden ook in het algemeen vervaardigd uit grote hoeveelheden van bijvoorbeeld koper, aluminium 15 of roestvrij staal. Derhalve kunnen zij slechts met grote kosten worden vervaardigd. Zij oefenen ook een'hoge tegendruk in de uitlaatleidingen van de machines met inwendige verbranding uit, waarin zij worden toege-past. Dxt maakt het lastig om de juiste werking van de motoren tot stand te brengen en te onderhouden. Tenslotte worden, omdat de thermo-elektrische 20 inrichtingen een integraal deel vormen van de warmte-uitwisselaars, de thermo-elektrische inrichtingen blootgesteld aan een potentiële verontreiniging uit.de uitlaatgassen in de uitlaatleidingen.

De uitvinding voorziet in een nieuw en verbeterd thermo-elek-trisch stelsel voor het opwekken van elektrische energie uit verlieswarmte. 25 De stelsels hebben een compacte afmeting en bezitten geen bewegende delen. Voorts kunnen de stelsels worden aangepast aan het gebruik van verlieswarmte uit vele verschillende verlieswarmtebronnen, waaronder de verlieswarmte uit machines met inwendige verbranding.

De thermo-elektrische stelsels volgens de uitvinding omvatten 30 een aantal warmtepijpen met tenminste één planair oppervlak en integrale warmte-opzamelorganen in de vorm van warmte-opzamelvinnen, die zijn opgesteld in de stroom van een fluidum, dat verlieswarmte levert. De warmtepijpen trekken zich vanuit de stroom van het verhitte fluidum naar buiten uit naar een aantal thermo-elektrische inrichtingen, welke geheel ge-35 scheiden zijn van de stroom van verhit fluidum. Het tenminste ene planaire oppervlak van de warmtepijpen maakt een thermisch contact met groot oppervlak met één zijde van tenminste één thermo-elektrische inrichting, ten- 8301436

• V

- 7 - einde daardoor de opgezamelde warmte op een doeltreffende wijze naar de inrichting over te dragen. De andere zijde van de thermo-elektrische inrichting is blootgesteld aan een koelmedium teneinde over de thermo-elek-trische inrichting een temperatuurverschil tot stand te brengen om het 5 mogelijk te maken elektrische energie op te wekken.

De warmtepijpen hebben bij voorkeur een rechthoekige dwarsdoorsnede en bezitten een paar tegenover elkaar gelegen, in hoofdzaak planaire zijwanden voor het tot stand brengen van een thermisch contact met groot oppervlak met de thermo-elektrische inrichtingen. De warmte-10 pijpen zijn hol en af gedicht en bevatten een bedrijfsfluidum. Het bedrijf sfluidum dient om de warmte, welke uit het verhitte fluidum is opgezameld, op een-doeltreffende wijze over te dragen naar de warme zijde van de thermo-elektrische inrichtingen. Dit geschiedt door voordeel te trekken van de thermodynamica van verdamping en condensatie van het be-15 drijfsfluidum. Voorts, aangezien de warmtepijpen zijn afgedicht, voorzien deze in''een continu rondgaand stelsel, dat vrij is van verontreinigingen.

Door het gebruik van de rechthoekige warmtepijpen in combinatie met de integrale warmte-opzamelvinnen verkrijgt men een goedkoop, 20 compact, doeltreffend warmte-overdrachtsstelsel, dat een geringe tegendruk voor de verhitte fluidumstroom vertoont. Het stelsel heeft eveneens een langere levensduur en kan gemakkelijker worden gereinigd en onderhouden dan de gebruikelijke stelsels.

Bij de stelsels volgens de uitvinding wordt de koude zijde van 25 de thermo-elektrische inrichtingen afgekoeld door een stroom water of een ander fluidum om deze zijde te onderhouden. Het is ook mogelijk de koude zijde van de thermo-elektrische inrichtingen te koelen door deze aan de omgevingslucht bloot te stellen.

Derhalve is een eerste oogmerk van de uitvinding het verschaf-30 fen van een thermo-elektrisch stelsel voor het opwekken van een elektrische energie uit een stroom van fluidum, dat tot een hoge temperatuur is verhit. Het stelsel wordt gekenmerkt door tenminste een thermo-elektrische inrichting voor het opwekken van elektrische energie in responsie op een temperatuurverschil, dat daarover wordt aangelegd, eerste warmte-over-35 drachtsorganen, voorzien van tenminste een warmtepijp, opgesteld in de fluidumstroom, waarbij de tenminste ene warmtepijp zich vanuit de fluidumstroom naar buiten uitstrekt en voorzien is van tenminste een integraal, 8301436 t -βίο hoofdzaak planair oppervlak» dat bestemd is om thermisch met de tenminste ene thermo-elektrische inrichting te worden gekoppeld voor het overdragen van tenminste een gedeelte van de warmte van de fluidumstroam naar de tenminste ene inrichting, en tweede warmte-overdrachtsorganen, 5 welke thermisch zijn gekoppeld met de tenminste ene thermo-elektrische inrichting om met de eerste warmte-overdrachtsorganen het temperatuurverschil over de tenminste ene thermo-elektrische inrichting tot stand te brengen.

Een tweede doel van de uitvinding is het verschaffen van een 10 thermo-elektrisch stelsel voor het opwekken van elektrische energie uit een stroom van verlieswarmte gekenmerkt door thermo-elektrische inrichtingsorganen 'Voor het opwekken van de elektrische energie in responsie op een temperatuurverschil, dat daarover wordt aangelegd, eerste warmte-overdrachtsorganen voorzien van een aantal warmtepijpen, waarbij 15 elke warmtepijp een gedeelte binnen de stroom van verlieswarmte bezit en een in hoofdzaak rechthoekige dwarsdoorsnede heeft, waarbij wordt voorzien in een paar tegenover elkaar gelegen, in hoofdzaak planaire zijwanden voor het tot stand brengen van een thermisch contact met groot oppervlak met de inrichtingsorganen teneinde een gedeelte van de ver-20 lieswarmte op een doeltreffende wijze naar de thermo-elektrische inrichtingsorganen over te dragen, en tweede warmte-overdrachtsorganen, die met de thermo-elektrische inrichtingsorganen zijn gekoppeld om aan de thermo-elektrische inrichtingsorganen een temperatuur aan te leggen, welke lager is dan de temperatuur, welke naar de thermo-elektrische inrichtings-25 organen wordt overgedragen door de eerste warmte-overdrachtsorganen teneinde daardoor aan de thermo-elektrische inrichtingsorganen het temperatuurverschil mede te delen.

De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening. Daarbij toont : 30 fig. 1 een zijaanzicht van een eerste uitvoeringsvorm van een thermo-elektrisch stelsel volgens de uitvinding; fig. 2 een dwarsdoorsnede over de lijn II-II van fig. 1; fig. 3 een dwarsdoorsnede over de lijn III-III van fig. 2; fig. k een dwarsdoorsnede over de lijn 17-17 van fig. 3; 35 fig. 5 een zijaanzicht van een andere uitvoeringsvorm van een thermo-elektrisch stelsel volgens de uitvinding; en fig. 6 een dwarsdoorsnede over de lijn 71-71 van fig. 5.

8301436 * « » -9-.

la fig. 1 en 2 vindt men een eerste uitvoeringsvorm van een thermo-elektrisch stelsel 10 volgens de uitvinding. Het thermo-elektrische stelsel 10 omvat een warmt eterugwineehheid 12, die door een scheidingswand 18 in een warmt et erugwinkamer 14 en een koelkamer 16 5 is verdeeld. Aan de terugvineenheid 12 is een paar leidingsorganen 20 en 22 bevestigd. De leidingsorganen 20 omvatten leidingen 46 en 48 om de stroom van een fluidum, verhit door verlieswarmte, door de warmteterug-wihkamer 14 te richten. De leidingsorganen 22 omvatten leidingen 50 en 52 cm de stroom van een koelfluidum door de koelkamer 16 te richten.

10 De -warmte, die uit het fluidum in de warmt et erugwinkamer i4 wordt teruggewonnen, wordt vanuit de warmteterugwinkamer 14 overgedragen naar êên zijde van een aantal thermo-elektrische inrichtingen 24, die in de koelkamer 16 zijn opgesteld. De op deze wijze overgedragen warmte houdt de ene zijde van de thermo-elektrische inrichtingen op een hoge 15 temperatuur. De stroom koelfluidum door de koelkamer 16 houdt de andere zijde van de thermo-elektrische inrichting 24 op een iets lagere temperatuurt Hierdoor wordt over de inrichtingen een temperatuurverschil onderhouden en wordtu het opwekken van elektriciteit mogelijk gemaakt.

Bij het toepassen van de uitvinding kunnen de thermo-elektrische 20 inrichtingen 24 de vorm hebben van de inrichtingen, welke bijvoorbeeld zijn beschreven in de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial Ho. 372.689 en de Amerikaanse aanvrage Serial Ho. 372.688. De inrichting van dit type omvat thermo-elektrische elementen van het n-type en p-type.

De elementen van het n-type en p-type zijn aan een uit koper be-25 staande geleidermatrix of geleiderpatroon gesoldeerd. Het uit koper bestaande geleiderpatroon is zodanig uitgevoerd, dat de elementen van het n-type en p-type elektrisch afwisselend in serie en thermisch parallel worden verbonden. Verlieswarmte in de vorm van uitlaatgassen, welke worden verkregen bij de werking van machines met inwendige verbranding, 30 kan een temperatuurverschil van 200° C over de thermo-elektrische inrichtingen 24 onderhouden. Indien de elementen van de inrichting 24 een Seebeck-coëfficient (S) van 0,15 mV/0 C hebben, kan de spanning, die door elk element kan worden opgewekt, worden bepaald uit de uitdrukking V^ = 0,15mV/° C x 200° C of 30mV. Het aantal elementen, dat nodig is voor 35 het opwekken van 14V, de. spanning, welke wordt toegepast in auto’s en vrachtauto’s, kan als volgt worden bepaald:

n-3Ö5r - k6T

8301436 - 10 -

Daarna kan elk gewenst aantal elementen in seriegroepen van b6j elementen parallel worden verbonden om de vereiste stroom voor het stelsel hij ïbv te verkrijgen. Fatuurlijk zal elke thermo-elektrische inrichting 2%inder dan de vereiste b6j elementen omvatten. Het aantal 5 inrichtingen, dat in serie moet worden verbonden voor het verschaffen van de lUv is gelijk aan het totale aantal vereiste elementen, gedeeld door het aantal elementen in elke inrichting. Indien elke inrichting bijvoorbeeld 32 elementen omvat, zullen b6j gedeeld door 32 inrichtingen nodig zijn. In dit voorbeeld is b6j gedeeld door 32 gelijk aan 10 1^,6. Derhalve moeten 15 inrichtingen in serie worden verbonden om een uitgangsspanning van tenminste 1UV te verzekeren.

Zoals het-best uit fig. 2, 3 en U blijkt, omvat het stelsel 10 volgens de uitvinding een aantal warmtepijpen 38, welke zich vanuit de warmteterugwihkamer 14, via de scheidingswand 18 naar de koelkamer 15 uitstrekken. De warmtepijpen 38 zijn in rijen gerangschikt en hebben een in hoofdzaak rechthoekige dwarsdoorsnede, waardoor wordt voorzien in een paar tegenover elkaar gelegen, in hoofdzaak planaire zijwanden 38a en 38b voor het mogelijk maken van een thermisch contact met groot oppervlak met de thermo-elektrische inrichtingen 2b in de koelkamer 20 16. Om het opzamelen van warmte uit de verlieswarmte in de warmte-opza- melkamer 1 te vereenvoudigen, omvatten de warmtepijpen een aantal integrale, in hoofdzaak evenwijdige en in vertikale richting op een afstand van elkaar gelegen warmte-opzamelvinnen Uo. De opzamelvinnen ^0 strekken zich in hoofdzaak loodrecht vanuit de planaire zijwanden 38a en 25 38b van de warmtepijpen 38 uit en liggen in vlakken, die in hoofdzaak evenwijdig zijn aan de stroom van het verhitte fluïdum. De warmtepijpen 38 en de vinnen itö bestaan uit een goede thermische geleider, zoals bijvoorbeeld koper, roestvrij staal, aluminium of dergelijke. De warmte-,· die door de vinnen bü wordt opgezameld, wordt door de warmtepijpen 38 30 uit de warmteterugwihkamer 1^ via de scheidingswand 18 naar de· thermo-elektrische inrichting 2b in de koelkamer 1β overgedragen. Opgemerkt wordt, dat de warmtepijpen 38 van de rij naast elkaar elkaar in hoofdzaak rakend zijn opgesteld.

De warmtepijpen 38 zijn, behalve dat zij in hoofdzaak recht-35 hoekig zijn, ook hol en aan elk uiteinde afgedicht. Bij benadering 5-10# van het inwendige volume van de warmtepijpen 38 wordt in beslag genomen door een bedrijfsfluidum b2, zoals bijvoorbeeld water. Het is 8301436 - 11 - gebleken, dat door deze constructie van de warmtepijp warmte uit de warm-teterugwinkamer l4 op een meer doeltreffende wijze naar de koelkamer 16 wordt overgedragen dan door massieve pijpen of een andere bekende constructie. Bij het overdragen van warmte uit de warmt et erugwinkamer 14 5 naar de koelkamer 16 wordt het bedrijfsfluidum 42 verdampt in d£t gedeelte van de warmtepijp 38, dat zich in de warmteterugwinkamer 14 bevindt.

Het verdampte bedrijfsfluidum 42 beweegt zich dan naar dat gedeelte van de warmtepijp 38 in de koelkamer 16, waar het fluïdum zijn warmte afgeeft aan de thermo-elektrische inrichtingen 24, die in thermisch con-10 tact met groot oppervlak met de zijwanden 38a en 38bmaken. Het bedrijfsfluidum k2 compenseert dan en keert terug naar het gedeelte van de warmtepijp 38, dat -zich in de warmteterugwinkamer 1¾ bevindt teneinde de warmte-overdrachtscyclus te herhalen.

De thermo-elektrische inrichtingen 24 bestrijken in hoofdzaak t 15 bet gehele oppervlak van de warmtepijpoppervlakken 38a en 38b in de koelkamer 16 en staan in een goed thermisch contact daarmede. De inrichtingen 24 raken elkaar aan hun randen af dichtend. De inrichtingen zijn ook in de lengterichting van de warmteterugwineenheid 12 opgesteld en bezitten buitenvlakken 44, die de koude zijde van de inrichtingen_24 20 vormen. De oppervlakken bepalen met elkaar of met de zijwanden van de eenheid 12 af gedichte kanalen 47 om het koelmedium door de koelkamer te richten teneinde de koude zijde 44 van de thermo-elektrische inrichtingen 24 te koelen. Omdat de inrichtingen 24 aan hun randen zijn afgedicht, isoleren zij het inwendige van de thermo-elektrische inrichtingen 24 25 ten opzichte van het koelmedium.

Bij de werking van het thermo-elektrische stelsel 10 worden warme verliesuitlaatgassen, welke optreden bij de werking van machines met inwendige verbranding,, via de warmteterugwinkamer 14 door leidingen 46 en 48 van de leidingsorganen 20 gericht. Daarin wordt de warmte op-30 gezameld door de warmte-opzamelvinnen 40 van de varmtepijpen 38. Het bedrijfsfluidum 42 wordt verdampt en draagt zijn warmte over naar de warme zijde van de thermo-elektrische inrichtingen 24, die op de pla-naire zijwanden 38a en 38b van de warmtepijpen 38 in de koelkamer 16 zijn gemonteerd.

35 De koude zijde van elke thermo-elektrische inrichting 24 wordt gekoeld door een koelmedium teneinde over elke inrichting een temperatuurverschil te onderhouden. Bij deze uitvoeringsvorm bestaat het koel- . ---- -n· 8301436 -12-.

medium uit water. Het water wordt via de kanalen 47 van de koelkamer 16 door de leidingen 50 en 52 van de leidingsorganen 22 gericht. De kanalen UT zijn vrij naar de koude zijde van elke inrichting 24. Dientengevolge maakt het water contact met de koude zijde van de inrichtingen 5 24 én koelt deze zijde.

In de fig. 5 en 6 vindt men een andere uitvoeringsvorm van een thermo-elektrisch stelsel 54 volgens de uitvinding. Het thermo-elektrische stelsel 54 omvat een warmteterugwineenheid 56, voorzien van een warmteterugwinkamer 58. Aan de warmteterugwineenheid 56 zijn lei-10 dingen 60 en 62 bevestigd om de stroom van een fluïdum, verhit door verlieswarmte, door de warmteterugwinkamer 58 te richten.

Evenals bij de vorige uitvoeringsvorm omvat de warmteterugwinkamer 58 een aantal warmtepijpen 66 met integrale warmte-opzamel-vinnen 64, die zich loodrecht vanuit de warmtepijpen 66 uitstrekken.

15 De warmte, die door de vinnen 64 van de warmtepijpen 66 wordt teruggewonnen, wordt naar een gebied buiten de warmteterugwinkamer 58 över-sedracen. Daar ziin thermo-elektrische inrichtingen 68 met cfe.planaire zijwanden 70 van de warmtepijpen 66 gekoppeld. De inrichtingen 68 worden aan een zijde daarvan verhit door de warmte, die via de warmtepijpen 20 66 wordt gevoerd.

Koelere omgevingslucht wordt gebruikt om de andere zijde van de thermo-elektrische inrichtingen 68 te koelen. Ter ondersteuning van het gebruik van de omgevingslucht voor het koelen van de thermo-elektrische inrichtingen, zijn horizontaal opgestelde en in vertikale rich-25 ting op een afstand van elkaar gelegen koelvinnen 72 loodrecht op de inrichtingen 24 in goed thermisch contact daarmede bevestigd.

De werking van deze uitvoeringsvorm loopt parallel aan die van de voorafgaande uitvoeringsvorm, behalve, dat de omgevingslucht wordt gebruikt om de koude zijde van de thermo-elektrische inrichtingen 30 te koelen. De ontwerp- en materiaaloverwegingen, welke boven zijn besproken, zijn voor de beide uitvoeringsvormen dezelfde, behoudens, dat bij deze alternatieve uitvoeringsvorm een hogere bedrijfstémperatuur nodig is aangezien de koude zijde van de inrichtingen zich op een hogere temperatuur zal bevinden.

35 8301436

Claims (19)

1. Thermo-elektrisch stelsel voor het opwekken van elektrische energie uit een stroom van fluïdum, welke tot een hoge temperatuur is verhit gekenmerkt door tenminste een thermo-elektrische inrichting (2l*, 68) voor het opwekken van de elektrische energie in responsie op een 5 .daarover aangelegd temperatuurverschil, eerste warmte-overdrachtsorga-nen (12, 56), voorzien van tenminste een warmtepijp (38, 66), welke zich in de fluidumstroom bevindt, waarbij de tenminste ene warmtepijp zich vanuit de fluidumstroom naar buiten uitstrekt en tenminste een integraal, in hoofdzaak planair oppervlak (38a, 38b, 70) bezit, dat be-10 stemd is om thermisch te worden gekoppeld met de tenminste ene thermo-elektrische inrichting teneinde tenminste een gedeelte van de warmte van de fluidumstroom naar de tenminste ene inrichting over te dragen, en tweede warmte-overdrachtsorganen (16), die thermisch met de tenminste ene thermo-elektrische inrichting zijn gekoppeld om. met de eerste warmte-15 overdrachtsorganen het temperatuurverschil bij de tenminste ene thermo-elektrische inrichting tot stand te brengen.

2. Stelsel volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de tenminste ene warmtepijp (38 , 66) is voorzien van een aantal warmte-opzamelorganen (1*0, 6U), welke integraal daarmede zijn en zich binnen de fluidumstroom 20 bevinden.

3. Stelsel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de warmte-opzamelorganen (1*0, 61*), in hoofdzaak planair zijn en gelegen zijn in een vlak, dat in hoofdzaak evenwijdig is aan de richting van de fluidumstroom. 25 1*. Stelsel volgens conclusie 2 met het kenmerk, dat de eerste warmte-overdrachtsorganen (56) zijn voorzien van een aantal warmtepijpen (38, 66).

5· Stelsel volgens conclusie 1* met het kenmerk, dat de warmte- opzamelorganen een aantal in hoofdzaak planaire vinnen (1*0, 6k) om-30 vatten, die zich uit de warmtepijpen (38, 66) uitstrekken, zich op een afstand van elkaar bevinden en in hoofdzaak evenwijdig aan elkaar zijn opgesteld.

6. Stelsel volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de tenminste ene warmtepijp (38, 66) is vervaardigd uit een materiaal met goede ther- 35 mische geleiding.

7. Stelsel volgens conclusie 6 met het kenmerk, dat de warmte- 8301436 - 1U - pijp (3Ö, 66) is vervaardigd uit koper, roestvrij staal of aluminium.

8. Stelsel volgens een der conclusies 1 - 7 met het kenmerk, dat de tenminste ene warmtepijp (38, 66) een in hoofdzaak rechthoekige .. dwarsdoorsnede bezit.

9. Stelsel volgens· conclusie 8 met het kenmerk, dat de warmtepijp (38, 66) -een bedrijfsfluidum (b2) bevat, welk fluïdum tussen 5 tot 1Q$ van het inwendige volume van de warmtepijp in beslag neemt wanneer het fluidum volledig is gecondenseerd.

10. Stelsel volgens een der conclusies 1 - 9 met het kenmerk, dat 10 de tweede warmte-overdrachtsorganen zijn voorzien van luchtstroom-koelorganen (J2) om de tenminste ene inrichting (68) op een lagere temperatuur te brengen dan door de eerste warmte-overdrachtsorganen (56).

11. Stelsel volgens een der conclusies 1 - 9 met het kenmerk, dat 15 de tweede warmte-overdrachtsorganen (16) zijn voorzien van wafeerstroom-koelorganenv (22) _ .om. dè tenminste ene inrichting (2b, 68) op een lagere temperatuur te brengen dan door de eerste warmte-overdrachtsorganen (12). 12* Stelsel volgens een der conclusies 1-11 met het kenmerk, dat 20 de fluidumstroom ten opzichte van de tweede warmte-overdrachtsorganen (16, 72) is geïsoleerd.

13. Thermo-elektrisch stelsel voor het opwekken van elektrische energie uit een stroom van verlieswarmte gekenmerkt door thermo-elek-trische inrichtingsorganen (2b, 68) voor het opwekken van de elektrische 25 energie in responsie op een daarover eengelegd temperatuurverschil, eerste warmte-overdrachtsorganen (12, 56) voorzien van een aantal warmte-pijpen (38, 66), waarbij elke warmtepijp is voorzien van een gedeelte in de stroom van verlieswarmte en een in hoofdzaak rechthoekige dwarsdoorsnede heeft, waardoor wordt voorzien in een paar tegenover elkaar 30 gelegen, in hoofdzaak planaire zijwanden (38a, 38b, 70) voor het tot stand brengen van een thermisch contact met groot oppervlak met de in-richtingsorganen teneinde een gedeelte van de verlieswarmte op een doeltreffende wijze naar de thermo-elektrische inrichtingsorganen over te dragen, en tweede warmte-overdrachtsorganen (16, 72), die met de thermo-35 elektrische inrichtingsorganen zijn gekoppeld om aan de thermo-elektrische inrichtingsorganen een temperatuur toe te voeren, welke lager ligt dan de temperatuur, welke naar de thermo-elektrische inrichtings- 8301436 - 15 - organen "wordt overgedragen door de eerste warmte-overdracht sorganen teneinde aan de thermo-elektrische inrichtingsorganen het temperatuurverschil mede te delen. 1¾. Stelsel volgens conclusie 13 gekenmerkt door een eerste kamer 5 (1¾) voor het geleiden van de verlieswarmte en een tweede kamer (16), die ten opzichte van de eerste kamer is af gedicht voor het bevatten van de tweede warmte-overdrachtsorganen en thermo-elektrische inrichtings-organen (38).

15· Stelsel volgens conclusie 1¾ met het kenmerk, dat de warmte- 10 pijpen (38) zich vanuit de eerste kamer (2¾) in de tweede kamer (16) uitstrekken.

16. Stelsel vólgens conclusie 15 met het kenmerk, dat elk van de varmtepijpen (38) is voorzien van een aantal integrale warmte-opzamel-organen (^0), die zich in de eerste kamer (1¾) bevinden. 15 17· Stelsel volgens conclusie 16 met het kenmerk, dat de warmte- opzamelorganen (^0) in hoofdzaak planair zijn en gelegen zijn in een vlak, dat in hoofdzaak evenwijdig is aan de stroom van verlieswarmte.

18. Stelsel volgens een der conclusies 13 - 17 met het kenmerk, dat de tweede warmte-overdrachtsorganen luchtkoelorganen (72) omvatten 20 om de genoemde lagere temperatuur aan de inrichtingsorganen (68) mede te delen.

19. Stelsel volgens een der conclusie 13-17 met het kenmerk, dat de tweede warmte-overdrachtsorganen (16) zijn voorzien van water-koelorganen (22) om de genoemde lagere temperatuur aan de inrich- 25 tingsorganen (2¾) mede te delen.

20. Stelsel volgens een der conclusies 13-19 met het kenmerk, dat de warmtepijpen (38, 66) bestaan uit een materiaal met goede thermische geleiding.

21. Stelsel volgens conclusie 20 met het kenmerk, dat de warmte-30 pijpen (38, 66) bestaan uit koper, roestvrij staal of aluminium.

22. Stelsel volgens een der conclusies 13-21 met het kenmerk, dat elke warmtepijp (38, 66) een bedrijfsfluidum ^2) omvat, welk bedrijf sfluidum 5 tot 10 procent van het inwendige volume van de warmfce-pijpen in beslag neemt, wanneer het fluidum volledig is gecondenseerd.

23. Stelsel volgens conclusie 22 met het kenmerk, dat het bedrijfs fluidum ^2) uit water bestaat. 2¾. Stelsel volgens een der conclusies 13-23 gekenmerkt door or- 8301436 -16- ganen (18) om de verlieswarmte ten opzichte van de thermo-elehtrische inrichtingsorganen te isoleren. 8301436