AT399615B - Thermoelektrischer energieumwandler - Google Patents

Description

AT 399 615 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie auf Basis Direkter thermoelektrischer Energieumwandlung, wobei mehrere Thermoelementschenkel vorgesehen sind, die an ihren Enden Kontaktflächen aufweisen, die einer Temperaturdifferenz unterworfen sind und wobei jeder Thermoelementschenkei im Bereich seiner Kontaktflächen einerseits mit der Warmseite und andererseits mit der s Kaltsette thermish leitend verbunden ist.

Die Ausnützung der thermoelektrischen Effekte zur direkten Energieumwandlung ist grundsätzlich bekannt. Um hinreichend hohe Spannungen und Leistungen zu erzielen, ist eine elektrische Reihenschaltung und eine thermische Parallelschaltung von mehreren Thermoelementen erforderlich. Bei den derzeit bekannten Materialien liefern einzelne Thermoelemente Spannungen im Millivoltbereich und Leistungen von 10 ca. 1 Watt. Zur Erzielung technisch nutzbarer Werte müssen somit einige Hundert solcher Element zusammengeschaltet werden. Thermoelektrische Generatoren wurden z.B. für Raumfahrtmissionen entwik-kelt.

Allen derzeit bekannten Thermoelementen und thermoelektrischen Generatoren ist gemeinsam, daß sie für eine breitere Anwendung aus verschiedensten Gründen nicht geeignet sind. ?5 Die FR-A1 2 620 573 offenbart einen thermoelektrischen Generator, bei dessen Herstellung in einer schichte abwechselnd Thermoelementschenkei angeordnet werden, die von beiden Seiten von je einem Isolierfilm abgedeckt sind. Diese Schicht wird dann so gefaltet, daß die Thermoelementschenkei mit ihren Endbereichen abwechselnd der Kaltseite und der Warmseite zugeordnet sind. Die einzelnen Thermoelementschenkel liegen überwiegend in Richtung der Temperaturgradienten. Dadurch entsteht ein Baukörper, 20 der in nachteiliger Weise relativ dick ist und an verschiedene Oberflächen nur schlecht anpaßbar ist.

Die US-A 4 444 991 zeigt die Anordung von Thermoelementschenkeln, die einander seitlich überlappen und abschnittweise schräg zum Temperaturgradienten verlaufen. Die Thermoelementschenkel selbst sind plättchenförmig ausgebildet, wobei die Plättchen in Richtung des Temperaturgradienten stehen. Die damit erzielbaren Stromstärken sind nur klein und ein schichtenförmiger Aufbau mit leichter Anpassung an 25 verschiedene Oberflächen und geringer Dicke ist nicht mögiich.

Der thermoelektrische Scheibengenerator gemäß DE-A1 3 112 107 ist als kompakter Baukörper in zylindrischer Form sehr voluminös und einer Oberfläche nicht anpaßbar.

Die US-A 4 382 154 offenbart die Ausbildung von Thermoelementschenkeln mittels Dünnschichttechnologie. In erster Linie betrifft die Druckschift eine Wärmemeßanordnung. Die Möglichkeit der Stromerzeu-30 gung ist nur nebenbei erwähnt, ohne dafür dem Fachmann nähere Angaben zu machen. Mit den in den Figuren dargestellten Konstrucktionen sind nur sehr schlechte Wirkungsgrade erzielbar, die für die Energieerzeugung völlig unakzeptable sind. Bei der Anordnung nach Fig. 7 ist nicht erkennbar, wie ein Temperaturgefälle zwischen den nebeneinander liegenden Thermoelementschenkeln auftreten soll, das für das Auftreten einer Potentialdifferenz nötig ist. 35 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrischen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, der einen einfachen Aufbau aufweist und große Oberflächen bildet, um eine möglichst große Zahl von Thermoelementen sequentiell und parallel anordnen zu können. Im Idealfall soll dieser Generator die Form einer flachen platte haben, die räumlichen Gegebenheiten, z.B. Brennräumen oder Wärmetauschern leicht anpaßbar ist. 40 Die eingangs genannte Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel quer zur Richtung des maximalen Temperaturgradienten zwischen Warmseite und Kaltseite angeordnet sind, daß die Thermoelementschenkel in an sich bekannter Weise gegenüber der Warmseite und Kaltseite außerhalb ihrer beiden Kontaktflächen zum überwiegenden Teil thermisch isoliert sind, und daß die Kontaktflächen seitlich an den Thermoelementschenkeln angeordnet sind, sodaß die aneinander gereihten Thermoelementes schenke! einander überlappen.

Nach weiteren Kennzeichen der Erfindung weisen die Thermoelementschenkel in den Bereichen der Kontakflächen wärmeleitende Element auf, die abwechselnd zur Warmseite und zur Kaltseite ragen. Bevorzugt sind die wärmeleitenden Element in den Oberlappungsbereichen der aneinander gereihten Thermoelementschenkel angeordnet. In an sich bekannter Weise kann eine Vielzahl von Thermoelement-50 schenkein zu einer Thermoelementenreihe angeordnet werden und eine Vielzahl von Thermoelementenrei-hen mit ihren Enden mit zwei elektrischen Sammelschienen verbunden werden. Bevorzugt ist das Thermoelement in an sich bekannter Weise schichtförmig aufgebaut. Nach einem weiteren Kennzeichen sind die wärmeleitenden Element der Kaltseite einerseits und die wärmeleitenden Element der Wannseite andererseits jeweils mit einer Schicht eines thermischen Leiters verbunden. Die Thermoelementschenkel können in 55 der Vomichtung schräg zur Mittelebene angeordnet und abwechselnd jeweils von der Kaitseite zur Warmseite und/oder von der Warmseite zur Kaltseite reichend angeordnet sein. Bevorzugt ist das Verhältnis A:B:D = 2:1:0,7, wobei A die Schichtdicke des wärmeleitenden Elements, B die Überlappung der zwei benachbarten Thermoelementschenkel und D die Schichtdicke der Thermoelementschenkel ist. 2

AT 399 615 B

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Alle Zeichnungen sind schematisch gehalten. Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel, und Fig. 2 zeigt im Schrägriß die Anordnung der Thermoelementschenkel nach Fig. 1. Fig. 3 zeigt schematish die Ansicht eines elektrischen Generators. Fig. 4 ist der Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel. Hg. 5 zeigt die Wärmeströmungsverhältnisse bei einem Thermoelement gemäß Rg. 1. Die Rg. 6 und 7 sind Querschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele.

Gemäß Rg. 1 sind bei diesem Ausführungsbeispiel entlang einer gedachten Mittelebene 1 die Thermoelementschenkel 2, 3 angeordnet. Die Thermoelementschenkel 2, 3 sind an den Kontakftächen 4, 5 miteinander verbunden. Zu beiden Seiten der Thermoelementschenkel liegt thermisch und elektrisch isolierendes Material 8. Die oben Liegende Fläche ist die Grenze zur Warmseite 7 und die unten liegende Begrenzungsfläche jene zur Kaltseite 8. Der Pfeil 9 zeigt den Verlauf des maximalen Temperaturgradienten.

Die Kontaktfläche 4 wirkt als Warmkontaktfläche und ist mit dem wärmeleitenden Element 10 mit der Warmseite 7 thermisch verbunden. In ähnlicher Weise ist die Kontaktfläche 5 mit dem wärmeleitenden Element 11 zur Kaltseite 8 hin thermisch verbunden.

Bei genügend großer Temperaturdifferenz zwischen Warmseite und Kaltseite bewirkt die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktflächen 4 und 5 die Erzeugung einer Potentialdifferenz, die als Spannung abgegriffen und zur Stromerzeugung weiter verwendet werden kann. Durch die serielle Aufeinanderfolge vieler derartiger Thermoelemente wird die Spannung erhöht.

Rg. 2 zeigt die Anordnung gemäß Rg. 1 in schräger Ansicht, allerdings ohne die Isolationsschichten 6. Die mit dem Reil 25 eingezeichnete Breite der Thermoelementschenkel steht in einem direkten Zusammenhang mit dem von jedem Thermoelement abgegebenen Strom.

Rg. 3 zeigt grob schematisch einen Thermoelektrischen Generator mit sieben Reihen zu je fünf seriell hintereinandergeschalteten Thermoelementen (26). Der Stromabgriff erfolgt durch die Stromschienen 12, 13, von denen der Strom weitergeleitet werden kann.

Rg. 4 zeigt ein weiter Ausführungsbeispeil analog zu jenem der Fig. 1. Für den Aufbau des Generators als Platte sind vier Schichten 14 bis 17 vorgesehen. Die Schicht 14 umfaßt das Isolationsmaterial 6 und die wärmeleitenden Elemente 11. Die Schicht 15 besteht aufeinanderfolgend abschnittweise aus den Thermo-elementschenkefn 3 und Isolationsmaterial 18. Die Schicht 16 umfaßt die Thermoelementschenkel 2 mit dem dazwischen angeordneten Isolationsmaterial 19. Endlich folgt die Schicht 17 mit dem Isolationsmaterial 20 und den wärmeleitenden Elementen 10. Ein solcher schichtförmiger Aufbau kann die Herstellung derartiger Thermoelementgeneratoren in großtechnischem Maßstab erleichtern. Die Isolationsmaterialien 6 und 18 bis 20 können gleich oder verschieden sein.

Rg. 5 zeigt die Wärmeströmungsverhältnisse von der Warmseite 7 zur Kaltseite 8 in einem Thermoelement gemäß Fig. 1. Die thermische Flußdichte ist durch die Größe der Strömungspfeile ausgedrückt. Man erkennt, daß de facto der gesamte Wärmefluß von der Warmseite 7 über das zugeordnete wärmeleitenden Element 10 in den Thermoelementschenkel 2 und durch die Kontaktfläche 4 in den Thermoelementschenkel 3 fließt. Weiters erfolgt der Wärmestrom entlang des Thermoelementschenkels 3 bis zum wärmeleitenden Element 11, wo der Teilstorm aus dem benachbarten Thermoelementschenkel 2 hinzutritt und durch die Kontaktfläche 5 über das wärmeleitende Element 11 zur Kaltseite 8 strömt.

Die Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel ähnlich jenem der Rg. 1, wobei sowohl an der Warmseite 7 als auch an der Kaltseite 8 thermische Leiterschichten 21 und 22 angeordnet sind, durch die jeweils sämtliche wärmeleitenden Elemente 10 auf der Warmseite einerseits und alle wärmeleitenden Elemente 11 auf der Kaltseite andererseits miteinander verbunden sind. Durch diese thermischen Leiter kann ein besserer und gleichmäßigerer Wärmeüberbang erzielt werden.

Rg. 7 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar. Die einzelnen Thermoelementschenkel 23, 24 liegen hier nicht in der Mittelebene 1, sondern verlaufen schräg jeweils von der Warmseite 7 zur Kaltseite 8 und der nächste Thermoelementschenkel von der Kaltseite 8 wieder zurück zur Warmseite 7. Auch hier liegen die Thermoelementschenkel quer zum maximalen Temperaturgradienten 9. Die Kontaktflächen 4, 5 liegen versetzt zu den beiden Seiten der Mittelebene 1. Mit den Bezugszeichen 21 und 22 sind auch hier strichliert thermische Leiterschicten angedeutet, die zu beiden Seiten der Thermoelement angeordnet sein können. Da die Endbereiche der Thermoelementschenkel bis an die Warm- und Kaltseiten heranreichen, können die wärmeleitenden Elemente 10, 11 zur Gänze entfallen oder gegebenenfalls in kleinen Dimensionen ausgebildet sein.

Als Material kann für die Thermoelementschenkel 2, 3 und 23, 24 das jeweils passende Material von Fachmann ausgewählt werden. Wismuthtellurid-Halbleiter ΒΪ2Τβ3 sind derzeit als besonders effektiv bekannt. Billiger in der Herstellung ist das Eisendisilizid FeSi2. Beispiele für andere Thermoelementmaterialien sind Bleiterilurid PbTe, Ge-Si-Mischkristalle, Sulfide der seltenen Erde Lanthanum, verschiedene Magnesiumlegierungen und viele andere mehr. Alle diese Materialien sind bekannt, werden aber hinsichtlich der 3

Claims (8)

1. AT 399 615 B Effektivität, der anwendbaren Temperaturbereiche und hinsichtlich billiger Herstellungsverfahren laufen verbessert. Der schichtweise Aufbau erfindungsgemäßer Thermoelementgeneratoren bietet den Vorteil, daß Techniken angewendet werden können, die aus der Halbleitertechnologie bekannt sind, wie schichtweises s Aufdampfen, Dotieren und Ätzen, Der Wirkungsgrad von Thermoelementen hängt von den verschielensten Parametern ab. Waren bis 1950 Wirkungsgrade von 1 bis 2% erzielbar, konnten diese Werte mit der Einführung von Halbleiterthermoelementen erheblich gesteigert werden. Derzeit sind Wirkungsgrade von 8 bis 10% bei hohen Temperaturdifferenzen möglich. Die bei Modellversuchen untersuchten Schictdicken der Thermoelementschenkel lagen 10 beispielsweise zwischen 0,1 und 2 mm. Die besten Wirkungsgrade ergaben Schichtdicken zwischen 0,4 und 1,0 mm. Die für die einzelnen Schichten und Elemente zu wählenden Dimensionen hängen von den jeweils verwendeten Materialien, den Temperaturbedingungen und den verwendeten Hersteilungstechnologien ab und sind vom Fachmann entsprechend auszuwählen. Bei einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel mit Bi2Te3 als Thermoelementmaterial wiesen die in Fig.1 75 eingezeichneten Strecken folgende Dimensionen auf,: A = 2 mm Dicke der Isolierschichten 6 und der wärmeleitenden Elemente 10,11 B = 1 mm Breite der Kontakflächen 4,5 C = 8 mm Länge der Thermoelementschenkel 2,3 D = 0,7 m Dicke der Thermoelementschenkel 2,3 20 Es ergab sich bei diesem Beispiel ein Wirkungsgrad von 2,302 %. Ein Charakteristikum aller Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß die wärmeleitenden Elemente 10, 11 oder - allgemein gesagt - die Kontaktstellen zur Warmseite 7 und zur Kaltseite 8 jedes Thermoelementschenkels 2,3 23, 24, zu beiden Seiten des Temperaturgradienten, der durch den Thermoelementschenkef führt und von der Warmseite zur Kaltseite reicht, angeordnet sind. 25 Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie auf Basis direkter thermoelektrischer Energieumwandlung, wobei mehrere Thermoelementschenkel vorgesehen sind, die an ihren Enden Kontaktflächen so aufweisen, die einer Temperaturdifferenz unterworfen sind und wobei jeder Thermoelementschenkel im Bereich seiner Kontaktflächen einerseits mit der Warmseite und andererseits mit der Kaltseite thermisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel (2, 3, 23,24) quer zur Richtung des maximalen Temperaturgradienten (9) zwischen Warmseite (7) und Kaltseite (8) angeordnet sind, daß die Thermoeiementschenkel (2, 3, 23. 24) in an sich bekannter Weise gegenüber 35 der Warmseite und Kaltseite außerhalb ihrer beiden Kontaktflächen (4,5) zum überwiegenden Teil thermisch isoliert sind, und daß die Kontaktflächen (4,5) seitlich an den Thermoelementschenkeln (2, 3, 23, 24) angeordnet sind, sodaß die aneinander gereihten Thermoeiementschenkel einander überlappen.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoeiementschenkel (2, 3) in 40 den Bereichen der Kontaktflächen (4,5) wärmeleitend Elemente (10, 11) aufweisen, die abwechselnd zur Warmseite (7) und zur Kaltseite (8) ragen.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Elemente (10,11) in den Überlappungsbereichen der aneinander gereihten Thermoeiementschenkel (2, 3, 23, 24) angeord- 45 net sind.
4. 4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise eine Vielzahl von Thermoelementschenkeln (2, 3, 23, 24) zu einer Thermoelementen-reihe angeordnet sind und eine Vielzahl von Thermoelementenreihen mit ihren Enden mit zwei so elektrischen Sammelschienen (12,13) verbunden sind. (Fig. 3)
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement in an sich bekannter Weise schichtförmig aufgebaut ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmelei tenden Elemente (10) der Kaltseite einerseits und die wärmeleitenden Elemente (11) der Warmseite andererseits jeweils mit einer Schicht (21,22) eines thermischen Leiters verbunden sind. (Fig. 6) 4 AT 399 615 B
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelementschenkel (23, 24) in der Vorrichtung schräg zur Mitteiebene (1) angeordnet und abwechselnd jeweils von der Kaltseite (7) zur Warmseite (8) und/oder von der Warmseite zur Kaitseite reichend angeordnet sind. (Fig. 7) *
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis A:B:D = 2:1:0,7 beträgt, wobei A die Schichtdicke des wärmeleitenden Elementes (10), B die Überlappung der zwei benachbarten Thermoelementschenkel (2, 3) und D die Schichtdicke der Thermoelementschenkel (2,3) ist. (Fig. 1) Hiezu 4 Blatt Zeichnungen 5