170919. lajstromszámú szabadalom • Termovillamos áramforrás
3 170919 4 hővezetőcsövek — amelyeknek hőleadó része üzemi helyzetben a hőfelvevő végénél magasabban helyezkedik el. Előnyös kivitelnél az elemek két (egy n és egy p vezetési típusú) termooszlopát a melegoldalon villamosan rövidrezáró úgynevezett hidjai jó hatásfokú, például injektoros gázégővel üzemelő nagy terhelésű tűztér palástfelületét képezik, ekkor ugyanis a melegoldali villamos szigetelés és ezzel együtt a rajta eső hőmérséldetveszteség elmaradhat. Az elemek termooszlopai között célszerűen hőszigetelés, pl. kaolingyapot tömés van. Az elemek termooszlopainak hideg végéhez — legfeljebb a forraszthatóságot elősegítő fémlemezek közbeiktatásával — mindkét végén légmentesen lezárt cső van forrasztva, amelynek üregét alkalmasan választott kevés folyadék és annak gőzei töltik ki. A folyadék a mélyebben elhelyezkedő, úgynevezett hőfelvevő felületen érkező hőhatás következtében felforr, hőt von el, gőzei szinte akadálytalanul töltik ki a teljes üreget, a hidegebb felületeken (az ún. hőleadó felületen) kondenzálnak, itt leadják a latens hőt, a kondenzált folyadék pedig visszacsurog a hőfelvevő felülethez. A folyadéktöltet megválasztására a cső hőfelvevő és hőleadó felületének kívánt hőmérséklete az irányadó. Ha például az elemek hidegoldalát 100-150 C°-ban kívánjuk megállapítani, és a környezet hőmérséklete max. 80 C°, töltetként legegyszerűbb desztillált vizet alkalmazni. Magasabb hőmérsékleteken pl. naftalin (~220C°), higany (-400 C°) vagy nátrium fém (~1 100 C°) alkalmazható. A cső anyagát és falvastagságát a töltőanyag vegyi tulajdonságai, és adott hőmérséklethez tartozó gőznyomása alapján választjuk meg. Víz esetében pl. 1 mm-es falvastagságú vörösrézcső a legalkalmasabb az adott hőmérséklettartományban. A csövek hőleadó felületeit levegőnek történő hőátadás esetén célszerű például bordázassál megnövelni. Nagy tűztérterhelésű égőrendszer alkalmazása mellett, előnyös magas hőmérsékleten optimális tulajdonságokkal rendelkező termoötvözet használata az elemek termooszlopai céljára, így elsősorban a minimális hővezetőképességű, n és p vezetési típusú germániumszilícium ötvözeté. Egy-egy n ill. p típusú ötvözetből készült termooszlopot a melegoldalon jó hővezető és jó elektromos vezetőképességű, hő és korrózióálló, hőtágulási együtthatójában a Ge-Si ötvözettel közel egyező anyag, célszerűen szilícium alapú fémötvözetből készült lemez, úgynevezett híd köt össze, amely egyúttal hőgyűjtő felületként is szolgál. Az elemek hidegoldalaira a Ge-Si ötvözettel közel azonos hőtágulású, a hővezetőcsövek felforrasztását lehetővé tévő fémlemezt, például wolframlapkát célszerű ráötvözni. Nagyobb teljesítményű, kb. 200 W-ot meghaladó termovülamos áramforrás esetén célszerű az elemeket úgy méretezni, hogy a készülékbe épített elemek teljesítményét növeljük darabszámuk helyett. 850-950 C° hőmérsékletkülönbség esetén a Ge-Si anyagú elemekből már kb. 120 db sorbakötése is biztosítja az általában igényelt 24 V kapocsfeszültséget, az elemek számának további növelése csak nagyobb feszültségigény esetén indokolt. Ugyanakkor a hidegoldali hűtés gazdaságosabb kevesebb számú nagyobb teljesítményű elem esetén, ami az alkalmazott termooszlopok keresztmetszetének, hosszának és hőgyűjtőfelületnek arányos növelésével érhető el. E méretek minden 5 határontúli növelése viszont ismét gazdaságtalan, mert a méret növekedésével csökken az egységnyi mennyiségű és viszonylag drága alapanyagra vonatkoztatott teljesítmény. A találmány szerinti felépítésű termovillamos áramforrás körülményei kö-10 zött az alábbi felépítésű elemek bizonyulnak optimálisnak: 2-4 mm vastag, 3-5 cm2 hőgyűjtő felületű, kör vagy négyszögalakú hídon centrikusán, egymástól 1-2 mm távolságra ráötvözött, 6-7 mm vastag, 13-15 mm széles, 18-22 mm hosszú n ill. p 15 típusú Ge-Si ötvözetből készült két termooszlop, amelyek hidegoldalára célszerűen egy-egy 0,8-1,6 mm vastag wolframlemez van felötvözve. Az elemeket 850-950 C° hőmérsékletkülönbség esetén 0,4-0,5 V üresjárási feszültség, 10—12 A op-20 timális terhelőáram és 2—3 W teljesítmény jellemzi, az általában szokásos 5 A és 1W körüli értékek helyett. A termooszlopokon átfolyó hőáram jobb kihasználása érdekében célszerű a termooszlopokon elő-25 álló hőmérsékletgradiensnek megfelelően a termővillamos oszlop anyagát az adott hőmérséklet tartományban legkedvezőbb tulajdonságú anyagokból rétegesen összeállítani. Ismeretes, hogy 300-500 C° között pl. a PbTe lényegesen kedvezőbb tulajdon-30 ságú a GeSi-nél, míg 100—200 C° tartományban a Bi2 Te 3 még ennél is kedvezőbb hatásfokkal alakítja át a hőenergiát villamosenergiává. Az ilyen inhomogén anyagú termooszlopok előállítását azonban nagyon megnehezíti, hogy az egyes részeket 35 villamosan, termikusan és geometriailag is illeszteni kell minimális hő- és villamos- kontaktusellenállásokkal. Mivel az adott tulajdonságok mellett a feladat így túlhatárolt és nem oldható meg optimálisan, az egyes részeket villamosan el szokták 40 szigetelni, és csak a hő és geometriai illesztéssel oldják meg a feladatot. A találmány szerinti, alkalmas töltetű és alakú hővezető csövek közbeiktatásával viszont a villamos, termikus és geometriai illesztés is megoldható közbetett villamos szigetelő 45 nélkül. Az idomok hőfelvevő felületeit pl. GeSi termooszlopok hidegoldalára, hőleadó felületei PbTe termooszlopok melegoldalára forrasztva, pl. Hg töltettel a hővezető csövek hőfelvevő és hőleadó felületeinek alkalmas megválasztásával tetsző-50 leges hőáramsűrűség-transzformációt valósíthatunk meg. A hőleadó és hőfelvevő felületek egymástól viszonylag távol is lehetnek, ha a hővezetőcsövek közbülső felületeit hőszigeteljük és a hőleadó felület magasabban helyezkedik el, mint a hőfelvevő. 55 Ilyen módon a hő és a geometriai illesztést megoldva az egyes alkotókat csak villamosan kell illeszteni, így akár több anyagból álló láncot alkothatunk, amely inhomogén termooszlopként működik. 60 Alacsonyabb hőmérsékletű tűztér esetén, vagy a tűztér alacsonyabb hőmérsékletű részein előnyös a termooszlopot alacsonyabb hőmérsékleten optimális tulajdonságú anyaggal kezdem, pl. a fáradt füstgázok hőenergiájának hasznosítására. A fáradt füst-65 gázok hőátadása a termooszlopok felé gyengébb, 2
