PL212262B1 - Sposób wytwarzania elektrostrykcyjnego konwertera przemiennych naprężeń mechanicznych na energię elektryczną - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elektrostrykcyjnego konwertera przemiennych naprężeń mechanicznych na energię elektryczną.

Stały postęp technologii elektronicznej sprawia, że koszty realizacji miniaturowych układów sensorowych nie stanowią już bariery ograniczającej powszechne ich stosowanie. Niedogodnością ciągle jest problem zasilania tych urządzeń w energię elektryczną. Stosowane nadal akumulatory kadmowo-niklowe, czy ogniwa litowe, z uwagi na konieczność okresowej wymiany i nadzoru, znacznie podnoszą koszty eksploatacji urządzeń, co z kolei sprawia, że nie wszystkie możliwości aplikacji są wykorzystani. W tej sytuacji wykorzystanie autonomicznych źródeł zasilania, o niskich kosztach eksploatacji, jest szczególnie istotne. Podczas gdy, w miejscach dostatecznie oświetlonych, ogniwa słoneczne stanowią optymalne i niezawodne źródło energii elektrycznej, to w miejscach gdzie brak jest dostatecznego naświetlenia, elektrostrykcyjne generatory prądu mogą stanowić alternatywne źródło energii elektrycznej.

Elektrostrykcyjne generatory prądu wydają się być szczególnie predestynowane do zasilania sensorów monitorujących stan zdrowia pacjenta, np. takich jak: ciśnienie krwi, temperatura, tętno. Przy odpowiedniej konstrukcji generowana wartość mocy elektrycznej powinna być wystarczająca do zasilania radiowych nadajników umożliwiających bezprzewodowy transfer sygnałów z sensorów. Inne możliwe przykłady zastosowań, to zasilanie stymulatorów, lub inicjowanie pracy stymulatorów.

Z ameryka ń skiego opisu patentowego nr US 6,626,040 znany jest generator elektryczny w którym energię cieplną przekształca się na energię mechaniczną, a następnie za pośrednictwem konwertera, zawierającego elektro-aktywne polimery, przekształca się na prąd elektryczny.

Urządzenie umożliwiające pozyskiwanie energii elektrycznej z odkształceń mechanicznych odzieży, obuwia w czasie marszu ujawniono w amerykańskim opisie patentowym nr US 6,433,465. Preferowane wykonanie wg wymienionego wynalazku zawiera elektrostrykcyjny materiał polimerowy umiejscowiony w podeszwie obuwia. Zmienne napięcie następnie zamienia się na prąd stały za pomocą prostownika.

W amerykańskim patencie nr US 7,414,351 ujawniono sposób pozyskiwania energii elektrycznej z wibracji. Urządzenie ma przetwornik piezoceramiczny w kształcie podłużnej płytki, której jeden koniec przytwierdzony jest do korpusu obudowy, natomiast na drugim końcu ceramicznego przetwornika zamocowano obciążenie grawitacyjne. Urządzenie stanowi autonomiczny generator prądu i jest zamknięte w plastykowej obudowie.

W porównaniu z piezoceramiką polimerowe elementy elektrostrykcyjne posiadają znacznie większą elastyczność, są znacznie bardziej rozciągliwe, wykazują znacznie większą odporność na zmęczenie mechaniczne. W porównaniu z piezoceramiką są również znacznie bardziej odporne na udary mechaniczne. Znacznie mniejszy jest ciężar właściwy polimerów co umożliwia realizację lekkich konwerterów, których kształty geometryczne mogą być łatwo dostosowane do miejsca aplikacji. Dzięki dużej rozciągliwości łatwiejszy jest transfer energii mechanicznej do konwertera, nie jest więc konieczne stosowanie specyficznych przekładni mechanicznych dopasowujących wartości przesunięcia źródła energii do możliwości konwertera. Duże wartości deformacji folii stawiają szczególnie wysokie wymagania przewodzącej warstwie kontaktowej. Przewodząca prąd elektryczny warstwa kontaktowa winna posiadać nie tylko doskonałą przewodność elektryczną, lecz również posiadać właściwości mechaniczne identyczne jak elektrostrykcyjna folia polimerowa. Wymagania te szczególnie dotyczą odporności warstwy na zmęczenie mechaniczne.

Warstwy przewodzące prąd elektryczny nakładane na folię elektrostrykcyjną czy piezoceramikę nie mogą degradować właściwości elektrostrykcyjnych tych materiałów. Wymusza to stosowanie procesów niskotemperaturowych, co z kolei nie jest czynnikiem sprzyjającym uzyskaniu dobrej przyczepności tych warstw do materiału elektrostrykcyjnego.

Rozwiązaniem najbardziej optymalnym wydaje się stosowanie warstw kontaktowych wykonanych z tego samego materiału co aktywny materiał elektrostrykcyjny. Taką warstwę kontaktową można przykładowo wykonać w procesie implantacji atomów złota do przypowierzchniowego obszaru folii elektrostrykcyjnej. Problem delaminacji tak wykonanej warstwy kontaktowej nie występuje, ponieważ jej struktura jest identyczna ze strukturą roboczego materiału elektrostrykcyjnego. Ten proces wymaga jednak stosowania specjalistycznego sprzętu i wysokokwalifikowanego personelu do obsługi, co w chwili obecnej z uwagi na koszty wytwarzania, uniemożliwia powszechne zastosowanie.

PL 212 262 B1

Innym rozwiązaniem jest stosowanie pośrednich kompozycji przewodzących w formie smaru, żelu, lub pasty zawierających grafit, sadzę, lub koloidalne zawiesiny zawierające złoto, srebro, lub inne materiały przewodzące.

Przykładowo, w konwerterze energii ujawnionym w amerykańskim opisie patentowym nr 6,628040 zastosowano kompozycję zawierającą: 80% smaru węglowego, 20% sadzy, i materiał zespalający na bazie silikonu. W innym wykonaniu zastosowano smar węglowy zmieszany z elastomerem co umożliwiło realizację kompozycji przewodzącej o właściwościach zbliżonych do żelu.

Istotą wynalazku jest sposób wytwarzania elektrostrykcyjnego konwertera przemiennych naprężeń mechanicznych na energię elektryczną polegający na tym, że na co najmniej dwa arkusze folii poliestrowej nakłada się przewodzące prąd elektryczny polimerowe warstwy kontaktowe, które zespala się trwale z arkuszami folii poliestrowej w procesie obróbki termicznej. Następnie do przewodzących warstw kontaktowych dołącza się wyprowadzenia elektryczne, a następnie układa się warstwową strukturę w której polimerową folię elektrostrykcyjną, okłada się arkuszami folii poliestrowej, w taki sposób, że polimerowe warstwy kontaktowe bezpośrednio lub pośrednio stykają się z folią elektrostrykcyjną. Tak złożoną strukturę wyposaża się, po obu stronach, w dodatkowe warstwy izolacyjne i dołącza się kształtki z materiału sprężystego. Następnie wzdłuż obwodu złożonej struktury wielowarstwowej nakłada się klej termo-topliwy, po czym całość umieszcza się w suszarce próżniowej. Po uzyskaniu próżni poniżej 10^-2 Tora, stopniowo podnosi się temperaturę w suszarce próżniowej aż do temperatury właściwej dla zastosowanego kleju termo-topliwego. W korzystnym wariancie realizacji sposobu na arkusze folii poliestrowej nakłada się warstwy kontaktowe zawierające węgiel w postaci koloidalnej w tym nanorurki.

W korzystnym wariancie realizacji sposobu polimerowe warstwy kontaktowe stykają się z folią elektrostrykcyjną pośrednio, poprzez warstwę zawierającą koloidy na bazie złota lub węgla, w tym nanorurki.

W korzystnym wariancie realizacji sposobu polimerowe warstwy kontaktowe stykają się z folią elektrostrykcyjną, której powierzchnię wcześniej pokryto cienką warstwą złota.

W korzystnym wariancie realizacji sposobu polimerowe warstwy kontaktowe stykają się z folią elektrostrykcyjną, w której powierzchnię wcześniej implantowano atomy złota.

Wynalazek w przykładzie wykonania ujawniono na rysunku, na którym przedstawiono konwerter przemiennych naprężeń mechanicznych na energię elektryczną.

Elektrostrykcyjny konwerter przemiennych naprężeń mechanicznych na energię elektryczną według wynalazku ma dwie kształtki z folii poliestrowej 1, na które nałożono polimerowe warstwy kontaktowe 2, do których z kolei dołączone zostały wyprowadzenia 6. Kształtki z folii elektrostrykcyjnej 3 umiejscowiono pomiędzy dwiema kształtkami z folii poliestrowej 1 w taki sposób, że nałożone na niej warstwy kontaktowe 2 stykają się z kształtkami z folii elektrostrykcyjnej 3. Tak złożoną strukturę warstwową obłożono z obu stron sprężystymi kształtkami metalowymi 5, przy czym pomiędzy kształtki metalowe 5 i poliestrowe kształtki 1 umiejscowiono dodatkowe kształtki izolacyjne 4. W celu umożliwienia zespolenia struktury warstwowej na obwodach kształtek folii poliestrowej 1, 4 oraz obwodach kształtek metalowych 5 wykonane zostały perforacje 9. Dzięki temu do zespolenia wszystkich kształtek struktury warstwowej 1, 4, 5 wystarczająca jest jedna operacja nałożenia kleju na obwodzie, wzdłuż perforacji. Realizację klejenia z zastosowaniem kleju termo topliwego 7 korzystnie jest przeprowadzić w suszarce próżniowej. Wcześniejsze odpompowanie suszarki umożliwia odparowanie z powierzchni elementów resztek wody i rozpuszczalników przed procesem klejenia. Następnie podgrzanie wszystkich elementów do temperatury właściwej dla zastosowanego kleju pozwala na jednoczesne sklejenie elementów. Kolejną warstwę stanowiącą wykończenie wkładki 8 dołącza się za pomocą kleju, po uprzednim usunięciu naddatków kleju termo-topliwego 7.

W rozwiązaniu według wynalazku w celu zwiększenia wydajności elektrycznej konwertera zastosowano dwie sprężyste kształtki metalowe 5. Umożliwiają one zarówno koncentrację siły ściskającej tylko w tych obszarach gdzie zostały umiejscowione kształtki z folii elektrostrykcyjnej 3, jak również generację prądu po zaniku nacisku. Dzięki mechanicznej energii zwrotnej sprężystych kształtek 5, podczas powrotu sprężystych kształtek metalowych 5 do stanu równowagi następuje w elemencie elektrostrykcyjnym 3 generacja prądu rewersyjnego. Umożliwia to znaczne zwiększenie wydajności elektrycznej. Dobór mechanicznych właściwości kształtki sprężynującej 5 ma więc istotny wpływ na wydajność prądową kompletnego urządzenia.

Dalsze zwiększenie wydajności energetycznej konwertera jest możliwe przez zastosowanie elektrostrykcyjnej struktury warstwowej, w której zwiększenie wydajności prądowej jest możliwe po4

PL 212 262 B1 przez elektryczne-równoległe połączenie elementów elektrostrykcyjnych, przy jednoczesnym zastosowaniu szeregowego połączenia mechanicznego.

Przewiduje się że zwiększona wydajność energetyczna tego typu konwerterów umożliwi praktyczną realizację autonomicznych (nie wymagających dodatkowego zasilania stymulatorów mięśni).

Przykładowo, praktyczna realizacja stymulatora mięśni łydki odpowiedzialnego za transport krwi w dolnych częściach koń czyn umoż liwił aby zmniejszenie dolegliwoś ci związanych z niewydolnoś cią układu krążenia.

Claims (5)

1. Sposób wytwarzania elektrostrykcyjnego konwertera przemiennych naprężeń mechanicznych na energię elektryczną z zastosowaniem elektrostrykcyjnej folii polimerowej, znamienny tym, że na co najmniej dwa arkusze folii poliestrowej (1) nakłada się przewodzące prąd elektryczny polimerowe warstwy kontaktowe (2), które zespala się trwale z arkuszami folii poliestrowej (1) w procesie obróbki termicznej, po czym do przewodzących warstw kontaktowych (2) dołącza się wyprowadzenia elektryczne (6), a następnie układa się warstwową strukturę, w której polimerową folię elektrostrykcyjną (3), okłada się arkuszami folii poliestrowej (1), w taki sposób, że polimerowe warstwy kontaktowe (2) bezpośrednio lub pośrednio stykają się z folią elektrostrykcyjną (3), tak złożoną strukturę wyposaża się, po obu stronach, w dodatkowe warstwy izolacyjne (4) i dołącza się kształtki z materiału sprężystego (5), następnie wzdłuż obwodu złożonej struktury wielowarstwowej nakłada się klej termo-topliwy (7), po czym całość umieszcza się w suszarce próżniowej, następnie po uzyskaniu próżni poniżej 10^-2 Tora, stopniowo podnosi się temperaturę w suszarce próżniowej aż do temperatury właściwej dla zastosowanego kleju termo-topliwego (7).

2. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że na arkusze folii poliestrowej (1) nakłada się warstwy kontaktowe (2) zawierające węgiel w postaci koloidalnej w tym nanorurki.

3. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że polimerowe warstwy kontaktowe (2) stykają się z folią elektrostrykcyjną (3) pośrednio, poprzez warstwę zawierającą koloidy na bazie złota lub węgla, w tym nanorurki.

4. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że polimerowe warstwy kontaktowe (2) stykają się z folią elektrostrykcyjną (3), której powierzchnię wcześniej pokryto cienką warstwą złota.

5. Sposób wytwarzania według zastrz. 1, znamienny tym, że polimerowe warstwy kontaktowe (2) stykają się z folią elektrostrykcyjną (3), w której powierzchnię wcześniej implantowano atomy złota.

PL 212 262 B1