KRALJEVINA JUGOSLAVIJA
UPRAVA ZA ZAŠTITU
Klasa 21 (9)
INDUSTRISKE SVOJINE
Izdan 1 februara 1933.
PATENTNI SPIS BR.9485
Kuria Jovan, inženjer kemije, profesor, Osijek, Jugoslavija.
Postupak i uredjaj za pretvaranje topline u elektricitet.
Prijava od 1 oktobra 1930.	___________ Važi od 1 marta 1932.
Kod izradbe ovoga pronalaska vodila je prijavitelja pretpostavka da se u svakoj toploj tvari kovinske vodljivosti neprestano mjenjaju međusobni položaji i smjerovi e-lektronskih putanja i prema tome i elek-trostatska ravnoteža atoma (molekila) tako, da oni stalno izbijaju i primaju elektrone. Između atoma (molekila) nalaze se u-vjek elektroni raznog sadržaja energije koji se nepravilno, odnosno u smjeru prema susjednim atomima (molekilima) sa raznim brzinama kreću. Količina i srednja energija tih slobodnih elektrona ovise u glavnom o prirodi tvari, poredaju njenih atoma i molekila (strukturi, alotropskoj modifikaciji) i apsolutnoj temperaturi. Općenito se porastom temperature povećava broj i srednja energija slobodnih elektrona, zato užareni vodići izbijaju elektrone. Kod iste temperature razlikuju se (obično) dva vodića sadržinom i srednjom energijom svojih slobodnih elektrona. Ako su im temperature različite onda ta razlika može biti i znatnija a posojati će uvjek kod dva komada iz i-stoga vodiča.
Poredaj elektronskih putanja u atomu (molekilu) ovisi o temperaturi, a pošto o tom poredaju ovisi njihovo vanjsko elek-trostatsko polje, to je kod svakoga vodića jakost i predznak tih elektrostatskih polja funkcija temperature. Postoje izvjesne temperature kod kojih to elektrostatsko polje sasvim iščezne; kod olova je to na pr. slučaj kod obične temperature. Što se više temperatura vodiča razlikuje od te neutralne točke, to če elektrostatsko polje njegovih atoma (molekila) biti jače; nižoj temperaturi odgovarati će elektrostatsko polje
jednog predznaka (+ ili —) a višoj drugoga (— ili +). Moguće je da vodič ima više neutralnih točaka između kojih leže maksima jakosti el. stat. polja; po svoj prilici označuju te točke alotropske ili krista-lografske promjene. Elektrostatsko polje pozitivnog predznaka privlači, negativnog predznaka odbija elektrone koji se između atoma (molekila) gibaju.
Postoji li u vodiču pad temperature (strujanje topline) to će nastati strujanje elektrona, koje, prema gornjem razlaganju ima isti ili protivan smjer od pada temperature. To strujanje elektrona — koje se može tumačiti i uz pretpostavku el. stat. polarizacije atoma (molekila) — istovjetno je sa električnom strujom (Benediks-struje). Kako elektroni kod tog upravljenog strujanja bivaju privlačeni od sve jačih el. stat. polja, to će njihove energije rasti sa gradientom toplinsokg nada.
Približu li se dva vodića različitoga sadržaja i razne srednje energije slobodnih elektrona jedan drugome, to će kod maloga odstojanja (ili kod dodira) energičniji elektroni sa jednog vodića preći na drugi i podijeliti mu negativan naboj dočim će vodić, koji je izgubio elektrone postati pozitivno električan. Ako se između dodirnih površina uvrsti tanak sloj tvari velikog e-iektričnog otpora ili dieiektrikum, to će potencijalna diferencija tako složenog kondenzatora biti proporcionalna razlici srednjih energija slobodnih elektrona. Ta potencijalna diferencija (kontaktni potencijal) može se elektrometrijski mjeriti. Takovi kondenzaori mogu biti sastavljeni od dve različite kovine i ako su im temperature
Din. 15.
iste (Vc;ta) ili sa oblozima od jedne te iste kovine, ako je medu njima razlika temperature. Ako je sloj lošega vodica tanakj onda takovi kondenzatori imaju osobinu da istosmjernoj struji suprotstavljaju različiti otpor, već prema smjeru kojim struja kroz njih teče. Prema tome će oni imati svojstvo da usmjeruju izmjeničnu struju kojoj maksimalna napetost ne prekoračuje pot. diferenciju na njihovim polovima (t. zv. suhi 'upravljači). Omogući li se stalan pritok e-lektrona podržavanjem razlike temperature u spojnem krugu (među oblozima), onda će takove naprave daviti struju. Da se uzmogne razviti jaka struja moraju dodirne površine biti velike, a sloj loše vodljivosti među njima tako tanak da prepušta e-nergičnije elektrone ili da po svojoj prirodi (na pr. kristaliničkoj strukturi) prepušta elektrone samo u jednom smjeru, odnosno pretvara elektrone male srednje energije u energičnije elektrone. Taj sloj zaustavlja toplinsku, struju u jačoj mjeri nego li električnu, s toga će porast termoelektromo-torne sile usljed jačega pada temperature nadmašiti gubitak usljed povećanja el. otpora.
Kod poznatih termoelemenata postizava se strujanje elektrona grijanjem krajeva vodica koji se dodiruju i hlađenjem krajeva s ko jima se krug struje zatvara, t. j. grijanjem jednog a hlađenjem drugog kontakta. Vodići (kovine) se kod tih elemenata dodiruju izravno, pa se usljed maloga prelaznog otpora na kontaktu ne može razviti puna potencijalna diferencija. Što je intenzivnije hlađenje, dskle što je jači pad temperature među kontaktima, to će struja biti jača, ali i potrošak topline (o-grjevnog materijala) veći a prema tome i koeficijent iskoristbe manji.
Prema ovome pronalasku pojačava se pad temperature u elektrodama i na dodirnim površinama umanjivanjem njihove vodljivosti za toplinu uvrštavanjem tankih slojeva poluvcdiča ili dielektrikuma kojih površina stoji okomito na p -du toplinske struje. To se postizava na taj način da se umjesto masivne (pune) elektrode uzima naslaga tankih ploča, lima ili folije (listova) iz elektrodne kovine. Površine tih elek-trodinih elemenata (folija) mogu imati razna fizikalna (termička, kristalografska) svojstva tako, da jedna površina laglje o-daje (emitira) rdnosno upija (absorbira) elektrone nego druga. Primjerice mogu površine biti polirane i plemenitom kovinom prevučene odnosno hrapave (matirane, najedene) ili amorfne odnosno krisfalinične i rl. Ako te foliie u naslagi leže neposredno iediia na drugoj, onda djeluje tanki sloj :zročnih molekila koji je na njihovoj povr-
šini apserbovan kao loš vodič odnosno kao dielektrikum. Obično služe u tu svrhu tanki slojevi (nahukline) dobiveni hemij-skom promjenom jedne ili obe dodirne površine, navlastito spojevi (jedinjenja) sa nekovinama kao oksidi, sulfidi, karbidi, si-licidi, boridi, nitridi i si. nastali grijanjem očišćene površine u pari dotičnog metalo-ida ili hlapivog metaloidnog. spoja Ili pa-ko djelovanjem tekućih reagencija. Dielektrikum može biti i drugi koji spoj ili smjesa spojeva koji ne sadrže elektrodne kovine te se u obliku tankog lista (filma) umetne među dodirne površine ili na jednoj od njih pričvrsti. Već prema pogonskoj temperaturi dolaze cvde u obzir silikati, borati, i ine soli, razni organski kruti i tekući proizvodi, papir i t, d. sami za se ili kom-binovani međusobno kao na pr. impregno-vani papir ili tkanina. Dielektrikum može biti i plinovit ili vakum. U tom slučaju sprječavaju ulošci cd krutog i propustnog dielektrikuma na pr. staklena pređa (gaza), neposredan dedir elektrodnih površina.
Za elektrode uzimaju se tvari kovinske vodljivosti, naročito duktilne i elastične kovine i kovinske slitine, a mogu to biti i kovine koje su na zraku nestalne na pr. alkalne i zemlj no alkalne kovine.
Elektrode mogu djelomično ili u cijelosti biti i pune (masivne) osobito ako posjeduju malu termičku vodljivost ili ako u danom intervalu temperature razvijaju neznatnu elektrcmotornu silu. Radi jednostavnije konstrukcije može sloj lošega vodiča biti samo n d,:.diru obih elektroda i to na onom kontaktu gdje se razvija veća poten-eij 'lna diferencija, obično je to vrući kontakt. Drugi kon'akt je svaren ili lotan, navlastito u tom slučaju, ako se na njemu razvija elektromotorna sila protivnoga smjera.
U pr kženim slikama označuje i M2 termoelektromotorno djelatne vediće (e-lektrcde), T, i T2 pogonske temperature gdje je T„ uvjek viša temperatura, D sloj loše vodljivosti (dielektrikum) a J termički i električni izolator). Boljega pregleda radi je svagde samo kod jedne elektrode šrafama naznačena lamelama struktura dok je druga urisana kao puna (masivna).
Sl. 1 prikazuje šematski poredaj elemenata u bateriji a ispod nje su ucrtane krive temperature T i pot. diferencije I i II. 1 je kriva, za slučaj da u obim kovinama pot. dif. ras+e sa padom temperature, dakle je strujanje elektrona istoga smjera sa strujom topline, ali u kovini M, jače nego u kovini M2. II je kriva pot. dif. za slučaj da ova u M, raste sa padom a u M2 sa porastom temperature Razlika pet. dif. na prvoj (E,) i zadnjoj ordinati (E„) je naretest na polovima baterije. U oba sh'čaja cretpostav-
Ijeno je da je srednja energija elektrona u Mj u intervalu T,—T2 veća nego u M2.
Na toplim kontaktima T2 gdje je sloj lošega vodiča D, je skok elektromotorne sile veći nego na hladnim kontaktima Tt gdje se kovine izravno (metalički) dodiruju.
Kontakti ovih baterija se griju (odnosno hlade) pomoću šupljih kovinskih ploča P kroz koje struji vruć, odnosno hladan plin ili tekućina. Na slici 2 su hladilice P,, kroz koje primjerice struji hladan zrak, iz kovine Mj, a ploče grijalice P2, kroz koje prolaze primjerive plinovi izgaranja, iz kovine M2. Te ploče mogu biti i iz koje treće kovine koja je odličan vodič topline, one ne sudjeluju kod pretvorbe topline u elektricitet. Sloj loše vodljivosti nalazi se na onoj strani tih ploča na koju se naslanja elektroda iz druge kovine. Na slici 2 ploče hladilice ne nose dielektričnog sloja, kontakt elektroda je tu neposredan. Da se uspostavi što bolji dodir između pojedinih listova iz kojih su elektrode sastavljene, tlače jaka pera, utezi ili si. na krajeve baterije. Da odole tom tlaku a i radi povećanja ogrijevne površine, pojačane su ploče P rebrima p. Cijela baterija opkoljena je termičkim (i električkim) izolatorom J. Umjesto šupljih ploča mogu se u bateriju ugraditi pune (masivne) ploče; hlađenjem, odnosno grijanjem krajeva K, i K2 koji strče postrance iz baterije prenaša se toplina na kontakte (si. 3). Ako je sloj elektrodnih lamela debel, onda pad temperature u njima može biti tako znatan da su ploče hladilice nepotrebne (si. 4).
Da se toplina što bolje iskoristi, upotrebi se zrak, koji je hladio ploče hladilice, za podržavanje gorenja plamenika ili vatre u ognjištu koje grije ploče P2. Strujanje tog zraka može, kako je to kod termoba-terija već poznato, pokretati promaja skupnog dimnjaka kroz kojega se odvode plinovi izgaranja nakon što su prošli, kroz ploče P2. Ako se u ovim pločama vrši ka-talitičko izgaranje onda poseban ventilator siše hladan zrak kroz ploče hladilice i duva u komore za izgaranje u pločama P2-
Upotrebi li se kao loš vodič vakum, onda je cijela baterija smještena u limenu kutiju koja se hermetički zatvori (svari) i e-vakuiše. Vanjski tlak zraka stisnuti će pobočne, elastične stjene kutije koje se čvrsto prilegnu na bateriju i stlače elektrode. Mjesto jedne ugrade se tu dve paralelno skopčane baterije (I i II na si. 5) tako da im se istoimeni vanjski polovi izravno naslanjaju na pobočne stjene kutije dočim se zajednički nutarnji pol izolirano provede kroz cijev C koja je pritaljena na uski okvir kutije a služi za evakuisanje. Izolator J izo-
lira termički i električki rubove elektroda od oboda kutije.
Jedan primjer izvedbe takovih baterija pokazuje u presjeku si. 5. Tu se naredne elektrode dodiruju samo sa svojim krajevima a inače su jedna od druge izolirane uloškom tankih slojeva izolatora na pr. tinjca G. Svi topli kontakti nalaze se na jednoj strani (ovde levoj) a hladni na drugoj strani kutije. Struja se proizvodi grijanjem leve a hlađenjem desne strane kutije. Ako je pad temperature u elektrodama velik onda se mogu dva elementa složiti u bateriju kako to prikazuje si. 6. Tu otpada hlađenje unutarnjeg kontakta a struja se proizvađa grijanjem cijele kutije. Ako je kutija iz kovine M, onda može u njoj biti samo sloj elektrode M2. Ovakove se baterije skapčaju na napetost i ugrade u zajedničku peć kao topli kontakti običnih termoelemenata.
Elektrode mogu samo djelomično, na pr. samo na toplom kraju, biti sastavljene iz tankih listova (lamelirane) a između kontakta pune, kao kod običnih termoelemenata; drugi kontakt može biti neposredan (pritaljen ili svaren). Ako na toplom kontaktu jedna elektroda drugu sasma obuhvaća i ako se taj kontakt grije sa strane jedne elektrode onda je dostatan samo sloj loše vodljivosti uvršten između dodirnih površina obih elektroda da se i sa termo-elektromotorno slabo djelatnim kovinama sastave uporabive baterije; elektrode mogu u tom slučaju biti u cijelosti pune. Slika 7 prikazuje jedan grijani kontakt kod kojega je na cilindričku elektrodu na-taknut ceo niz konaksialnih cilindara S iz kovine druge elektrode M2. Unutarnje površine tih cilindara su polirane i sjajne, vanjske hrapave i crne. Jedan jači cilindar iz iste kovine obuhvaća taj sloj i nosi spojku E2 koja se hladi i spoji sa hladnim krajem spojke Ej od narednog elementa. Mjesto sloja cilindara može oko elektrode Mj biti namotana tanka vrpca iz kovine M2. SI. 8 predočuje kontakt na kojemu je između elektroda samo sloj lošije sprovod-Ijivosti D. Kod oba ova kontakta je izvor topline smješten u nutarnjosti cilindra Mr SI. 9 i 10 pokazuju kontakte kod kojih su krajevi inače punih elektroda na jednom kraju temelirani. Elektroda M2 na slici 9 je u cjelosti puna ploča koje kraj P2 služi kao grijalica. Na mjestu dodira sa listovima elektrode M, prevučena je ona sa slojem loše vodlijvosti D. Naslagu listova obuhvaćaju kraci elektrode M, koji su na hladnom kontaktu spojeni sa hladnim krajem elektrode M2 narednog elementa. Kontakti su izolirani jedan od drugoga slojevima izolatora kojim su kontakti i po-
Strance obloženi. Kod kontakta po slici 10 je grijanje izravno. Grijalica P, iz kovine M2 obložena je slojem folija iz kovine M1 oko njega je obavita elektroda Mv Od grijalice odvaja se spojka (u slici crtkano i označeno sa M2) koja se hladi i ide k narednoj elektrodi M,. I ovde su susjedni kontakti izolirani jedan od drugoga uloš-cima izolatora. U bateriji složenoj iz elemenata po sl. 9 i 10 mora postrance djelovati jaki pritisak da se osigura dobar kontakt medu lamelama elektroda. U slici 11 predočena je varianta kontakta naznačenog na sl. 8. Dielektrični sloj nalazi se na površini elektrode M, koja ima udubine ili žlijebove Z koje se — bez povrede die-lektričnog sloja — napune (naštrcavanjem, taljenjem, galvanoplastički ili sl.) sa kovinom elektrode M2 ili kojom trećom kovinom S. Na taj sloj pričvrsti se (pritali ili svari) elektroda Mž. Kod tog kontakta mogu se elektrode (odvodi) prostirati na protivne strane (sl. 12). Oba kontakta griju se iz vana, toplina dakle struji od elektrode M2 prema elektrodi M,.
Patentni zahtjevi:
1.	Postupak za pretvaranje topline u e-lektricitet naznačen time, da se elektromotorna sila koja nastaje kod dodira dvaju različitih tvari kovinske vodljivosti (vodiča ili poluvodića, ovde nazvani elektrode) kroz koje struji toplina poveća umanjivanjem njihove toplotne vodljivosti odnosno povećavanjem temperaturnog pada u njima.
2.	Uređaj za pretvaranje topline u elektricitet po zahtjevu 1, naznačen time, da su elektrode satsavljene djelomično ili u cjelosti iz tankih slojeva (ploča, lima ili folija), kojih površine stoje okomito na smjeru toplinske struje (padu temperature).
3.	Uređaj prema zahtjevu 2, naznačen time, da dodirne površine svake pojedine ploče, komada lima ili folije koji sastavljaju elektrodu imaju razna fizikalna (termička, emisiona) svojstva i da se u elektrod-nom sloju (naslagi koja sačinjava elektrodu) uvjek različite površine dodiruju.
4.	Uređaj prema zahtjevima 2 i 3, naznačen time, da je na jednoj ili na obim dodirnim površinama ili između tih površina navedenih elemenata (folije etc.) koji sastavljaju elektrode kao i na dodirnim površinama obih elektroda na jednom ili obim kontaktima tanak sloj jedne krute, tekuće ili plinovite tvari lošije vodljivosti nego kovine elektroda.
5.	Uređaj prema zahtjevima 2—4, naznačen time, da se kod upotrebe razređenog plina ili vakuma kao dielektrikuma razmak između dodirnih površina održaje umetkom propusne ili rupičaste krutnine, napose tkanine (na pr. staklene gaze).
6.	Uređaj prema zahtjevima 2—5, naznačen time, da se trajan dodir između pojedinih površina elektrodnih listova uspostavlja tlakom zraka na elastične stjene kovinske posude (kutije) u kojoj je baterija hermetički zatvorena.
SM	SL3	5L.5
Adpatent broj $485.
				1					
'-—r-	'	<	■J^^gdEmss		h£3-l —			
D-		^	\	IST*			—i
^—/					i	
ai1 t—^		\		1 - S		
iDnomoonoo
m
□□teoOSao
Hr uT UJ
^iaiDdi