DE102008054946A1 - Schutzgehäusevorrichtung für Feldgeräte mit thermoelektrischem Generator - Google Patents

Schutzgehäusevorrichtung für Feldgeräte mit thermoelektrischem Generator Download PDF

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DE102008054946A1
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Helmut Kalteis
Peter Seefeld
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Abstract

Bei einem Schutzgehäuse für Feldgeräte der Prozessautomatisierung zur Aufnahme von einem Feldgerät, das ein thermoelektrisches Element zur Energiegewinnung oder eine thermoelektrische Generatorkaskade aus multiplen thermisch isolierten Einzelelementen umfasst und mit thermisch absorbierenden und thermisch isolierenden Funktionswerkstoffen ausgestattet ist, soll eine Vorrichtung einen Schutz für Feldgeräte gegenüber externen Temperatureinflüssen schaffen, und es zugleich ermöglichen, Feldgeräte und Hilfseinrichtungen elektrisch zu versorgen. Die Erfindung sieht zur Lösung vor, dass eine kompakt gestaltete Schutzgehäusevorrichtung, Feldgeräte und eine thermoelektrische Generatoreinrichtung aufnimmt, wobei das Gehäuse der Schutzvorrichtung über Flächensegmente verfügt, die aus thermischen Abschirmungen und thermischen Absorptionseinrichtungen bestehen und am Ort der thermoelektrischen Generatoreinrichtung zwischen der höher temperierten Außenwand und des durch Konvektion gekühlten Innenraumes ein Temperaturgradient ausgebildet wird, der den Betrieb des Thermogenerators gewährleistet und gleichzeitig durch die erzielte Saugzugwirkung, die sich im Schutzgehäuse befindlichen Feldgeräte-Einheiten mit zugeführter Umgebungsluft kühlt.

Description

  • Die Erfindung richtet sich auf ein Schutzgehäuse für Feldgeräte der Prozessautomatisierung zur Aufnahme von mindestens einem Feldgerät, das ein thermoelektrisches Element zur Energiegewinnung oder eine thermoelektrische Generatorkaskade aus multiplen thermisch isolierten Einzelelementen umfasst und mit thermisch absorbierenden und thermisch isolierenden Funktionswerkstoffen ausgestattet ist.
  • In der Prozessautomatisierung wird eine Vielzahl von Feldgeräten, bei denen es sich beispielsweise um Messgeräte, Anzeigegeräte oder um Regelgeräte handelt, eingesetzt, um unterschiedliche Prozesse zu überwachen, zu regeln bzw. zu steuern. Dabei sind die Feldgeräte üblicherweise den Umweltbedingungen der industriellen Prozesswelt ausgesetzt und haben unterschiedlichen, zeitweilig hohen Prozesstemperaturen standzuhalten. Bekanntermaßen wird eine gegenüber der Umgebung erhöhte oder sehr hohe Temperatur einer Prozesseinrichtung durch thermische Abstrahlung und Wärmeleitung an die Umgebung abgeführt, wobei im Falle, dass es sich um Umgebungsluft in nicht ventilierten Räumen handelt, Konvektions- und Luftströmungseffekte auftreten, die den Wärmetransport beeinflussen. Bei den Feldgeräten handelt es sich beispielsweise um Temperaturmessgeräte, Druck-Füllstands- und Durchfluss-Messgeräte, Anzeigegeräte oder Analysengeräte zur Erfassung von pH-Wert, Leitfähigkeit, Trübung und gelöster Sauerstoff sowie weitere Inhaltsstoffe in Trink-, Brauch- und Abwasser oder in Prozessflüssigkeiten.
  • Feldgeräte werden, um möglichst energiesparend zu arbeiten, mit Regeleinheiten für ein Energiemanagement ausgestattet, verfügen über Strom- oder Signalausgänge sowie Datenbusleitungen und können Funkmodule beinhalten.
  • Meist wird beim Einsatz von beispielsweise Temperaturmessgeräten, hier insbesondere von Thermometervorrichtungen ein Armaturenteil, der als Halsrohr bekannt ist, in verlängerter Bauform eingesetzt, um dadurch in Richtung zum temperierten Prozessbehälter einen vergrößerten Abstand zu gewinnen, um auf diese Weise eine Überhitzung zu vermeiden.
  • Allerdings verursacht eine derartige Lösung je nach den räumlichen Gegebenheiten am Ort der Prozesseinrichtung einen zusätzlichen Installationsplatzbedarf, der an den Einsatzorten nicht immer vorhanden ist.
  • Eine zusätzliche Notwendigkeit die Einwirkung von hohen Temperaturen am Installationsort von Feldgeräten zu begrenzen, resultiert aus der eingeschränkten Hitzebeständigkeit von elektronischen Bauelementen, wie Kondensatoren, Halbleitern, integrierten Schaltungen sowie Funkmodule; ebenso sind standardmäßig eingesetzte Signal- oder Versorgungsleitungen, die über keine ausgezeichnete hitzebeständige Verseilung und Armierung verfügen, nur begrenzt hitzebeständig.
  • Treten in der Installationsumgebung von Feldgeräten höhere Temperaturen auf und sollen dennoch kostengünstige elektronische Standardbauteile verwendet werden, sind Gehäuse und Kabelschächte für Signal führende oder Strom versorgende Leitungen beispielsweise mit Außenluft unter Gebläseeinsatz zu kühlen oder sind aufwendige Flüssigkeit führende Wärmetauschervorrichtungen vorzuhalten. Zusätzlich haben derartige Einrichtungen in Ex-geschützten Umgebungen aufwendigen Bauartzulassungen gerecht zu werden.
  • Dies führt zu einem erhöhten und in vielen Fällen nicht hinnehmbaren Installationsmehraufwand.
  • Um Stromversorgungen und Versorgungsleitungen zu vermeiden, werden für stationäre Einsatzfälle, die keine mechanische Bewegung erfahren, in bekannter Weise elektrochemische Batterien, aufladbare Akkumulatoren, Brennstoffzellen, fotovoltaische Zellen, kapazitive Kondensator-Batterien und thermoelektrische Generatoren verwendet.
  • Aus mehrer Gesichtspunkten, aus Gründen der Dauerverfügbarkeit und anzustrebenden Wartungsfreiheit, der Betriebssicherheit und aus Vorkehrungen für Ex-geschützte Bereiche sind thermoelektrische Einrichtungen bevorzugt.
  • Zur Gewinnung von thermoelektrischer Energie werden in US 2005/0115600 A1 Module und Anordnungen aus vertikal angeordneten „Heat-Pipes” beschrieben, die zu einer horizontal anliegenden Auftrennung von einer Heiß- und einer Kaltzone führen sollen, um damit den benötigten Temperaturgradienten zum Betreiben von thermoelektrischen Elementen zu erhalten.
  • Die dabei horizontal verlaufende Auftrennung einer ersten Temperaturzone und einer zweiten Temperaturzone, einer Heiß- und einer Kaltzone, soll dabei, wie durch äußere Umweltgegebenheiten vorgegeben, erreicht werden.
  • Die dabei vorherrschenden üblicherweise geringen Temperaturdifferenzen sollen für den Betrieb von hochempfindlichen, multiplen, thermoelektrischen, gleichfalls für den horizontalen Betrieb ausgelegte Generatoreinrichtungen herangezogen werden, die den horizontal ausgerichteten Temperaturgradienten erfassen und umsetzen.
  • Bekanntermaßen resultiert mit derartigen Anordnungen indessen nur eine geringe Temperaturdifferenz, die eine niedere elektrische Leistung zur Folge hat, ein Umstand der insbesondere den gesicherten und kontinuierlichen Betrieb von Feldgeräten für die Prozessmesstechnik gefährdet.
  • Nachteilig an den vorgegebenen horizontalen Temperaturgradienten sind die erwartungsgemäß nur schwach ausgeprägten Temperaturdifferenzen, die zu erhöhen wären, um eine höhere Leistung des Thermogenerators gewährleisten zu können. Unter Wahrung des im vorgegebenen Ansatz beschriebenen waagerechten Verlaufs des Temperaturgradienten, wären für eine Leistungserhöhung des Thermogenerators zusätzliche Hilfseinrichtungen wie Gebläse und Wärmetauschervorrichtungen vorzuhalten, da ohne weitere Hilfseinrichtungen der an die Luftströmung gekoppelte Wärmetransport nicht alleine durch den üblicherweise in ambienter offener Raumluft vorhandenen Temperaturgradienten zu leisten ist.
  • So nutzt eine in JP 2003258326 beschriebene horizontal eingerichtete Anordnung einen extern erzeugten Luftstrom. Die dabei eingesetzten Gebläse für den Lufteintrag und die Luftabsaugung bedürfen jedoch einer sekundären zusätzlichen Energieversorgung.
  • Der in JP 2005079347 vorgestellte Lösungsansatz aus horizontal angeordneten Kombinationen Hitze adsorbierender und Hitze dissipierender Strukturen, kann nur mit zusätzlichen Hilfsinstallationen betrieben werden.
  • Zur Erhöhung der Effizienz von thermoelektrischen Anordnungen sollen gemäß GB 2119169 horizontal angeordnete Verrohrungen mit Lamellen vorgehalten werden, die zu einer verbesserten Wärmeableitung beitragen sollen. Die Anordnung erfordert einen erheblichen Raumbedarf.
  • Umfangreiche Assemblierungen für Thermogeneratoren werden in US 3196620 beschrieben, die zur Speisung mit Wärme liefernden Flüssigkeiten ausgelegt sind.
  • Das in WO 02081982 aufgegriffene thermoelektrische Array ist an externe Heißluft-Konvektionsströmungen anzuschließen, die durch Gebläse zu betreiben sind.
  • In JP 59121888 wird eine Thermospannung generierende Heiß-Gasanwendung vorgestellt, die sich einer Brenner-Gebläseeinrichtung zum Erzeugen eines konvektiven Wärmestroms bedient.
  • In DE 3314159 A1 wird zum Betrieb von thermoelektrischen Bauelementen eine Mehrzahl von Wärmesammelorganen zusammengestellt, die mittels einem ersten und einem zweiten Wärmeübertragungsmittel arbeiten sollen, die Bauart bedingt, einen erheblicher Platzbedarf beanspruchen.
  • EP 1870946 A2 ist auf einen autonomen thermoelektrischen Generator bezogen, der mit einer Wärmetauschereinrichtung zu betreiben ist, der externe Kühlflüssigkeit zugeführt wird. Die als kompakte beschriebene Einheit verfügt indessen über ein angegeben Gewicht von ca. 20 kg.
  • DE 69821857 T2 beschreibt einen thermoelektrischen Generator, dessen Hochtemperaturwärmelektrode und dessen Niedrigtemperaturwärmeelektrode nach jeweiliger Temperaturmessung eingestellt und mit einem Temperaturdifferenzerzeugungsmittel geregelt werden.
  • Im Schriftstück US 2005/0210883 A1 wird ein geregeltes thermoelektrisches System für Kühlzwecke und Heizzwecke dargestellt, mit dem eine Durchströmung mittels eines konvektiven Mediums verwirklicht werden soll.
  • Eine thermoelektrische Energieumwandlungseinheit aus multiplen Einzelelementen wird in EP 1482568 A2 beschrieben, die aus einem Wärme empfangenden Teil und einem gekühlten Teil besteht, wobei der Raum zwischen dem Wärme empfangenden Teil und dem gekühlten Teil mit einem nicht oxidierenden Gas beschickt wird.
  • In EP 1571718 A1 wird eine thermoelektrische Generatoreinrichtung vorgestellt, deren Heißelektroden mittels einer Flamme erhitzt werden und die über Luft gekühlte Kaltelektroden verfügt. Bezogen auf die Gewichtsmasse des eingesetzten Brennstoffs soll eine höhere Leistung resultieren, verglichen mit der verbrauchten Batteriemasse einer herkömmlichen elektrochemischen Zelle.
  • US 2008/024352 A1 bezieht sich auf einen thermoelektrischen Generator, der in einer Ofenanlage integriert ist, eine Überhitzungsschutzvorrichtung aufweist und dessen Kaltelektroden durch eine mittels Ventilatoren eingespeiste Frischluftzufuhr gekühlt werden.
  • Im Schriftstück GB 2441851 A wird eine thermoelektrische Generatoreinrichtung zur Nutzung von Temperaturdifferenzen vorgestellt, die in Flugzeugen zwischen Außenverkleidungen und Hydraulikleitungen anliegen.
  • In GB 2447333 wird die in Flugzeugen vorhandene Temperaturdifferenz zwischen Außenverkleidung und Kabineninnenluft zur Nutzung in einer thermoelektrische Generatoreinrichtung vorgesehen.
  • GB 1097423 und GB 1066528 beziehen sich auf multiple Wärmetauscherverrohrungen, die bauartbedingt extern betriebener Flüssigkeits- bzw. Gas-Strömungen bedürfen.
  • GB 592498 und GB 578923 sind für heiße Brennergase aus Strahltriebwerken bzw. Benzin-Brenner ausgelegt. Beide thermoelektrische Anordnungen verwenden einen heißen Brenner-Abgasstrom.
  • In DE 102007017461 A1 wird ein thermoelektrisches Modul gezeigt, das mit einem elektronischen Regelmodul ausgestattet ist und über mikrotechnologisch erstellte thermoelektrische Generatorbauelemente verfügt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schutzgehäusevorrichtung für Feldgeräte gegenüber externen Temperatureinflüssen zu schaffen, die es zugleich ermöglicht, vorzugsweise mittels autarker Energieversorgung, Feldgeräte und Hilfseinrichtungen elektrisch zu versorgen, um damit auf Versorgungsleitungen verzichten zu können, und um zumindest verbleibende Signal führende oder Strom versorgende Leitungen zu kühlen.
  • Ein Ansatz zu einer Lösung erfordert beispielsweise eine Energieversorgung der Feldgeräte mit dauerverfügbaren, d. h. unter standardisierten Betriebsbedingungen einsatzfähigen thermoelektrischen Energiequellen, um eine für Prozesseinrichtungen geforderte Betriebssicherheit zu erlangen.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Lösung sieht vor, dass eine kompakt gestaltete Schutzgehäusevorrichtung, Feldgeräte und eine thermoelektrische Generatoreinrichtung aufnimmt, wobei das Gehäuse der Schutzvorrichtung über Flächensegmente verfügt, die aus thermischen Abschirmungen und thermischen Absorptionseinrichtungen bestehen und am Ort der thermoelektrischen Generatoreinrichtung zwischen der höher temperierten Außenwand und des durch Konvektion gekühlten Innenraumes ein Temperaturgradient ausgebildet wird, der den Betrieb des Thermogenerators gewährleistet und gleichzeitig durch die erzielte Saugzugwirkung, die sich im Schutzgehäuse befindlichen Feldgeräte-Einheiten mit zugeführter Umgebungsluft kühlt, ohne dass es externer Energie verbrauchender oder umfangreicher Platz greifender Zusatzeinrichtungen bedarf.
  • Das erfindungsgemäße Kamin artig gestaltete obere Rohrendstück, das mit einer thermische Strahlung absorbierenden Beschichtung ausgestattet ist, erfährt in diesem Bereich durch Einstrahlung aus der Umgebung und insbesondere durch eine erhitzte prozessführende Einrichtung eine Erwärmung der umschlossenen Luftsäule, die dadurch einen Auftrieb erfährt. Der untere Teil des Rohrkörpers ist mit einer thermisch isolierenden und thermische Strahlung reflektierenden Temperatur-hochbeständigen Isolation umkleidet, so dass die in diesem Bereich umschlossene Luftsäule keine Aufwärmung erfährt. Indessen entwickelt die im oberen Teil erwärmte Luftsäule aufgrund ihrer geringer werdenden Dichte einen Auftrieb mit einem verbundenen Saugzugeffekt, der die kältere Luft aus dem thermisch abgeschirmten Rohr-Ende an der Innenseite des Thermo-Wandlers vorbeiführt nachdem bereits der Feldgerätetransmitter gekühlt wurde.
  • Auf diese Weise erfährt der Thermo-Wandler einen ausgeprägten Temperaturgradienten, ohne dass zusätzliche Hilfseinrichtungen wie Gebläsevorrichtungen, Brenner- und Ofeneinrichtungen oder aufwendige Wärmetauscheranlagen mit Mehrfachverrohrungen hinzugezogen werden müssen.
  • Die damit erzielten Konvektionseffekte bewirken eine Kühlwirkung zum Aufrechterhalten eines hohen Temperaturgradienten. Diese Kühlwirkung wird über eine thermisch isolierte Rohrführung an die Innenseite eines senkrecht angeordneten thermoelektrischen Wandlers übertragen.
  • Die damit zu erzielende Temperaturdifferenz ist demnach größer als nur durch Luftzirkulation in einem offenen Rohrstück zu erreichen ist, wobei in diesem Falle zusätzlich vorausgesetzt wird, dass ein Temperaturgradient sich aus der Umgebung im Raume gleichförmig herausbildet, was in ambienter Umgebung jedoch nicht immer vorausgesetzt werden kann.
  • Die thermischen Absorber und Reflektoreinrichtungen und die Kühlfläche der Kaltelektrode des Thermowandlers sind mit Staub abweisenden Oberflächenstrukturen ausgestaltet.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der unter Teil des Schutzgehäuses mit einem flexibel gestalteten, thermisch isolierten Anschlussteil schlauchartig verlängert werden kann.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Heiß-Elektrode von mindestens einer thermoelektrischen Stromquelle oder multiple Einzelelektroden von mindestens einer thermoelektrischen Generatorkaskade mit einer thermische Strahlung intensiv absorbierenden, wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden, Staub abweisenden Beschichtung versehen ist.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Zwischenräume, die von der als N-Halbleiter wirkenden Komponenten und der als P-Halbleiter wirkenden Komponenten und von der Heiß-Elektrode und von der Kalt-Elektrode umfasst sind, mit elektrisch isolierenden, das bedeutet, dielektrischen, thermischen Sperrfiltern ausgefüllt werden, die vorzugsweise über Reflexionseigenschaften im thermischen Bereich verfügen.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass mindestens eine Kalt-Elektrode von mindestens einer thermoelektrischen Stromquelle oder multiple Einzelelektroden von mindestens einer thermoelektrischen Generatorkaskade über eine Wärme abgebende Lamellen- oder Meander- oder Hohlröhrchen- oder Nadelfeld-artige oder n-Eck prismatische Struktur verfügt, die aus einem aufgetragenen, wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden, dielektrischen Material besteht, das eine Staub abweisenden Oberfläche besitzt.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die obere Gehäusewandung der rohrförmigen, triklinen, rechteckigen oder multiklinen Prismenbauform mit isolierenden Funktionswerkstoffen ausgestattet ist.
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die einem prozessführenden Behälter oder die einer prozessführenden Rohrleitung zugewandte Feldgeräteseite mit mindestens zwei thermischen Abschirmungen geschützt ist, die von der Richtung der thermisch belasteten Außenwand hin zur Feldgeräteseite hintereinander angeordnet sind und auf diese bekannte Weise den Durchtritt sekundärer thermischer Abstrahlung vermindern.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass die innere Wandoberfläche der Schutzvorrichtung und die innere Oberfläche einer am unteren Ende des Schutzgehäuses zu befestigenden schlauchartigen Verlängerung mit Staub abweisenden Oberflächenstrukturen versehen sind.
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in einem Feldgerätetransmitter eine Kopftransmitterelektronik vorgesehen ist, deren Energiebedarf mittels einer Energiezwischenspeichereinheit und über die Regelung durch eine Energieversorgungssteuereinheit von einer thermoelektrischen Generatoreinheit gedeckt wird.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass in einem Feldgerätetransmitter eine Energieversorgungssteuereinheit vorgesehen ist
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in einem Feldgerätetransmitter eine Energiezwischenspeichereinheit vorgesehen ist
  • Eine Ausgestaltung sieht vor, dass in einem Feldgerätetransmitter ein Funkmodul vorgesehen ist, dessen Energiebedarf mittels einer Energiezwischenspeichereinheit und über die Regelung durch eine Energieversorgungssteuereinheit von einer thermoelektrischen Generatoreinheit gedeckt wird.
  • Eine Ausgestaltung beinhaltet, dass neben einem Feldgerätetransmitter eine Funkantenne vorgesehen ist
  • Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass vom Feldgerätetransmitter eine Signalleitung und eine sekundäre bidirektionale Versorgungsleitung mit der mindestens von einer vergleichbaren zweiten thermoelektrisch betriebenen oder herkömmlichen Versorgungsnetz-Installation, elektrischer Strom erhalten oder an die Sekundärinstallation abgegeben werden kann.
  • Die erfindungsgemäße kompakt gestaltete Schutzvorrichtung kann aufgrund ihres geringen Raumbedarfs unmittelbar am Ort der prozessmesstechnischen Installation in der direkten Umgebung von erhitzten Prozessanlagen, die beispielsweise aus Behältern oder Raum- greifenden Rohrleitungsbündel bestehen, befestigt werden.
  • Wesentlicher Vorteil der Erfindung ist es, dass für den Betrieb einer thermoelektrischen Einrichtung höhere Temperaturgradientenbildungen erreicht werden können, ohne Gebläsevorrichtungen, Brenner- und Ofeneinrichtungen oder aufwendige Wärmetauscheranlagen mit Mehrfachverrohrungen nutzen zu müssen.
  • Es wird andererseits nicht auf einen im allgemeinen nicht stark ausgeprägten ambienten Temperaturgradienten mit horizontal verlaufenden Temperaturtrennzonen zurückgegriffen, der aus einem ersten Temperaturbereich, der statisch von einem zweiten Temperaturbereich abgrenzt ist, beruht und der allein aufgrund des zu erwartenden moderaten Wärmetransportes nicht zum Betrieb thermoelektrischer Zellen höherer Leistung geeignet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ergibt den Vorteil, dass die thermische Abstrahlung von erhitzten Prozesseinrichtungen zu deren Überwachung beispielsweise Temperaturmesseinrichtungen besonders häufig eingesetzt werden, mittels der erfindungsgemäßen Schutzvorrichtung ein Saugzugprinzip induziert, das einen vertikalen Temperaturgradienten erzeugt.
  • Die an der geschwärzten äußeren Beschichtung im infraroten und im Nahinfraroten Spektralbereich absorbierte thermische Strahlungsenergie leistet, wie bekannt, einen zusätzlichen Beitrag zur Ausbildung des erfindungsgemäß senkrecht verlaufenden Temperaturgradienten an der Thermowandlereinrichtung.
  • Ein unteres flexibel gestaltetes Anschlussteil, kann als schlauchartige Verlängerung in Raumbereiche in der unmittelbaren Umgebung der Prozessinstallation verlegt werden, um dort vorhandene kühlere Umgebungsluft oder Außenluft aufzunehmen.
  • Bevorzugt können für den thermoelektrischen Wandler bei Temperaturen bis 300°C als aktive thermoelektrische Substrate, thermoelektrische Bi2Te3-Schichten auf Polyimid-Basis eingesetzt werden.
  • Bei höheren Temperaturen sind bevorzugt Substrate auf anorganischer Basis einzusetzen.
  • Die vorgenannten sowie beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Form, Gestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeptionen keinen besonderen Maßgaben oder auszunehmen Bedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der beispielhaft bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
  • 1: eine angeschnittene räumliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Schutzgehäuses,
  • 2: einen vergrößerten Ausschnitt der 1,
  • 3: ein Schnittbild des Feldgerätetransmitters,
  • 4: ein Schnittbild von Thermoelementen, und
  • 5: ein Schnittbild einer weiteren Ausgestaltung der Thermoelemente.
  • Die 1 eine Übersicht in einem Schnitt durch das Schutzgehäuse 1 eines erfindungsgemäßen Schutzgehäuses für Feldgeräte.
  • Zu sehen sind die thermischen Abschirmungen 2, die den unteren Teil des Schutzgehäuses abschirmen und damit die einfallende thermische Emission von der Prozess führenden Einrichtung 4 abblocken.
  • Eine auf diese Weise geschützte Einbauarmatur 10 wird in waagerechter oder gewinkelter Einbauposition über eine mechanische Flanschverbindung 5 und einen thermisch abschirmenden Einbauadapter 8 in den Prozessbehälter 4 eingesetzt.
  • Über der Einbauarmatur 10 befindet sich in einem Abstand zur Abdeckung 12, des Feldgerätetransmitters 11 ein thermoelektrisches Modul 31, von dem die der Prozesseinrichtung zugewandte dielektrische, thermische Absorberbeschichtung 28, mit der nach unten abgeführten speisenden Stromableitung 18 zu sehen sind.
  • Der gewählte Abstand der Absorberbeschichtung 28 des elektrothermischen Moduls, von der Einbauarmatur 28 verringert die Möglichkeit einer unerwünschten Wärmeübertragung auf die Einbauarmatur 10, da die Absorberbeschichtung 28 nach Aufheizung ebenso als thermischer Emitter fungiert.
  • Unter ähnlichem funktionellen Gesichtspunkt ist die thermische Absorberbeschichtung 3 am oberen Ende des Schutzgehäuses 1 von der Absorberbeschichtung des elektrothermischen Moduls durch eine darunter liegende thermisch abgeschirmte Zone 2 abgeschirmt, damit die erhitzte Innenseite des oberen Endes des Schutzgehäuses 1, durch deren Strahlungswirkung nicht die konvektiv gekühlte Kaltelektrode 25 mit der Wärme ableitenden Lamellenstruktur 29 thermisch direkt anstrahlen kann. Das untere Ende des Schutzgehäuses 1 an dem die Signal- und Versorgungsleitung 21 abgeführt wird, kann noch zusätzlich mit flexiblen Schlauch artigen Verlängerungsstücken versehen werden, um auf diese Weise aus entsprechender Entfernung Kaltluftströmungen oder Frischluft passiv ansaugen zu können.
  • Wie in 2 gezeigt, wird das Ende beispielsweise eines Eintauchrohrs 6 oder eines Schutzrohres waagerecht oder in einem schrägen Winkel durch die Wand in einen Prozess führenden Behälter 4 eingebracht.
  • Ein Rundflansch 5 oder eine in Einbaurichtung verschiebbare Flanschbauform dient zur mechanischen Befestigung der Armaturenanordnung.
  • An der dem Feldgerätetransmitter 11 zugewandten Seite befindet sich ein thermisch abschirmender Einbauadapter 8 und eine zusätzliche thermische Abschirmung 9, die ihre Wirksamkeit nach dem bekannten Prinzip entfaltet, dass jeweils absorbierte thermische Strahlung im gesamten Raumwinkel wieder emittiert wird und durch das serielle Anordnen mehrer Elemente hintereinander eine Abschwächung der thermischen Strahlung resultiert. Durch eine reflektiv gestaltete Oberfläche wird die Abschirmwirkung verstärkt. Zur Ableitung der Restwärme von der mit Kühlrippen versehenen Abdeckung 12 des Feldgerätetransmitters 11 wird der mittels Saugzugwirkung entstehende Kühlluftstrom genutzt.
  • Zu sehen ist in 3 ein Schnittbild des Gehäuses des Feldgerätetransmitters 11 mit dem Unterteil 14 und der Abdeckung 12 mit den Staub abweisend beschichteten Kühlrippen. In dem Gehäuse des Feldgerätetransmitters 11 sind die Kopftransmitterelektronik 15, die Energieversorgungssteuereinheit 16, die Energiezwischenspeichereinheit 17 und ein Funkmodul 18 untergebracht und bidirektional untereinander mit Signal und Energieversorgungsleitungen verbunden.
  • Eine Zuleitung 18 vom Elektrothermogenerator führt zur Energieversorgungssteuereinheit 16 und zur Energiezwischenspeichereinheit 17.
  • Eine Signal- und sekundäre bidirektionale Versorgungsleitung 21 führt aus dem Feldgerätetransmitter 11 in den gekühlten Bereich des Schutzgehäuses 1 und kann in der Folge direkt oder über eine angesetzte Schlauch artige Verlängerung nach außen in einen beispielsweise geschützten Bereich geführt werden.
  • Zusätzlich befindet sich am Feldgerätetransmitter 11 eine Sende und Empfang geeignete Antenneneinrichtung 20.
  • In der 4 sind hintereinander geschaltete Thermoelemente im Schnitt dargestellt, die mit ihren N-Leitern 23 und ihren P-Leitern 24 in der Schichtassemblierung an einer Heißelektrode 26 und an einer Kaltelektrode 25 in Kaskaden zusammengefasst werden.
  • Wie in 4 gezeigt wird, sind die Zwischenräume, in den Lücken zwischen N-Leiter 23 und P-Leitern 24 und den das Modul 22 abdeckenden Heiß-Elektroden 26 und Kaltelektroden 25 jeweils mit den thermischen Sperrfiltern 27 ausgestattet, um eine thermische Übertragungen außerhalb der Kontaktstellen von N-Leiter und P-Leiter zu vermeiden. Das thermische Sperrfilter verfügt vorzugsweise über Reflexionseigenschaften im thermischen Spektralbereich zwischen 3 und 7 Mikrometer.
  • Die dargestellte Anzahl der Einzelelemente und der mögliche Mehrfacheinsatz der Module entsprichen jeweils einem bestimmten Spannungs- und Leistungsbedarf.
  • Die 5 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausgestaltung mit der die zusammengefassten Heiß-Elektroden 26 mit einer thermische Strahlung absorbierenden, wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden, Staub abweisenden thermischen Absorberbeschichtung 28 versehen sind.
  • Des weiteren zeigt 5 einen Schnitt durch eine Ausgestaltung, mit der die zusammengefassten Kalt-Elektroden von einer Wärme abgebenden beispielsweise Lamellen-Struktur überzogen sind, die aus einem aufgetragenen, wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden, dielektrischen Material besteht, das eine Staub abweisende Oberfläche besitzt.
  • 1
    Schutzgehäusevorrichtung
    2
    Thermische Abschirmung
    3
    Thermische Absorberbeschichtung
    4
    Prozessführende Einrichtung, Behälter, Leitung
    5
    Einbauflansch
    6
    Eintauchrohr
    7
    Halsrohr der Armatur
    8
    Thermisch abschirmender Einbauadapter
    9
    Thermische Isolatoren und Strahlungsreflektoren
    10
    Einbauarmatur
    11
    Feldgerätetransmitter
    12
    Abdeckung mit Kühlrippen
    13
    Kühlrippen Staub abweisend beschichtet
    14
    Unterteil mit Durchführungen
    15
    Kopftransmitterelektronik
    16
    Energieversorgungssteuereinheit
    17
    Energiezwischenspeichereinheit
    18
    Zuleitung vom Elektrothermogenerator
    19
    Funkmodul
    20
    Antenneneinrichtung
    21
    Signal und sekundäre bidirektionale Versorgungsleitung
    22
    Thermoelektrisches Modul
    23
    N-Leiter in Schichtassemblierung
    24
    P-Leiter in Schichtassemblierung
    25
    Kaltelektrode
    26
    Heißelektrode
    27
    Thermisches Sperrfilter
    28
    Dielektrische, Staub abweisende, thermische Absorberbeschichtung
    29
    Dielektrische, Wärme ableitende Lamellenstruktur
    30
    Anschlußleitung
    31
    Modul mit thermischen Absorber, Abschirmung und Ableitung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • - JP 2003258326 [0016]
    • - JP 2005079347 [0017]
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    • - DE 69821857 T2 [0024]
    • - US 2005/0210883 A1 [0025]
    • - EP 1482568 A2 [0026]
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Claims (20)

  1. Schutzgehäusevorrichtung (1) für Feldgeräte der Prozessautomatisierung zur Aufnahme von mindestens einem Feldgerät (11), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine thermoelektrische Stromquelle oder mindestens eine thermoelektrische Generatorkaskade aus multiplen thermisch isolierten Einzelelementen (22) vorgesehen ist, und dass mindestens ein Element (27) aus einem thermisch absorbierenden und/oder thermisch isolierenden Funktionswerkstoff vorgesehen ist.
  2. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kaminartig ausgestaltete Einheit vorgesehen ist, welche rohrförmig oder in trikliner oder rechteckiger oder multikliner prismatischer Bauform ausgestaltet ist.
  3. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaminartig ausgestaltete Einheit mindestens ein Feldgerät (11) mittels Saugzugwirkung kühlt.
  4. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaminartig ausgestaltete Einheit mindestens eine Elektrode von mindestens einer thermoelektrischen Stromquelle (22) und/oder multiple Einzelelektroden mindestens einer thermoelektrischen Generatorkaskade (27) mittels Saugzugwirkung kühlt.
  5. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein unterer Abschnitt einer Gehäusewandung (9) mit thermischen Isolierschichten, die über eine geringe Wärmeleitfähigkeit verfügen, ausgestattet ist.
  6. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein unterer Teil einer Gehäusewandung (9) mit thermisch isolierenden Funktionswerkstoffen auf der Basis von infraroten Reflexionsschichten ausgestattet ist, die für Strahlertemperaturen zwischen 100° und 300° Grad C über Lambda/4·n Sperrfilter verfügen, mit der bevorzugt thermische Strahlung im Bereich zwischen 3 und 7 Mikrometer abgeblockt werden kann.
  7. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein oberer Teil der Gehäusewandung (3) mit einer thermische Strahlung intensiv absorbierenden, Staub abweisenden Beschichtung versehen ist.
  8. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Teil des Schutzgehäuses mit einem flexibel gestalteten, thermisch isolierten Anschlussteil schlauchartig verlängerbar ist.
  9. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Heiß-Elektrode (26) von mindestens einer thermoelektrischen Stromquelle oder multiple Einzelelektroden von mindestens einer thermoelektrischen Generatorkaskade mit einer thermische Strahlung absorbierenden, wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden, Staub abweisenden Beschichtung (28) versehen sind.
  10. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Zwischenräume, die von einer als N-Halbleiter wirkenden Komponente (23) und einer als P-Halbleiter wirkenden Komponente (24) und von einer Heiß-Elektrode (26) und von einer Kalt-Elektrode umfasst sind, mit elektrisch isolierenden, dielektrischen, thermischen Sperrfiltern ausgefüllt sind, die vorzugsweise über Reflexionseigenschaften im thermischen Bereich verfügen.
  11. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kalt-Elektrode von mindestens einer thermoelektrischen Stromquelle oder multiple Einzelelektroden von mindestens einer thermoelektrischen Generatorkaskade über eine Wärme abgebende Lamellen- oder Mäander- oder Hohlröhrchen- oder Nadelfeld-artige oder n-Eck prismatische Struktur verfügt, die aus einem aufgetragenen, wärmeleitfähigen, elektrisch isolierenden, dielektrischen Material besteht, das eine Staub abweisende Oberfläche besitzt.
  12. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Gehäusewandung (2) der rohrförmigen, triklinen, rechteckigen oder multiklinen Prismenbauform mit isolierenden Funktionswerkstoffen ausgestattet ist.
  13. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die einem prozessführenden Behälter oder die einer prozessführenden Rohrleitung zugewandte Feldgeräteseite mit mindestens zwei thermischen Abschirmungen geschützt ist, die von der Richtung der thermisch belasteten Außenwand hin zur Feldgeräteseite hintereinander angeordnet sind.
  14. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein thermischer Absorber und/oder eine thermische Abschirmvorrichtung aus Staub abweisenden Werkstoffen und mit Staub abweisenden Oberflächenstrukturen versehen sind.
  15. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Feldgerätetransmitter eine Kopftransmitterelektronik (15) vorgesehen ist, und dass der Energiebedarf der Kopftransmitterelektronik (15) zumindest teilweise mittels einer Energiezwischenspeichereinheit (17) und über die Regelung durch eine Energieversorgungssteuereinheit (16) von einer thermoelektrischen Generatoreinheit gedeckt ist.
  16. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Feldgerätetransmitter eine Energieversorgungssteuereinheit (16) vorgesehen ist.
  17. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Feldgerätetransmitter eine Energiezwischenspeichereinheit (17) vorgesehen ist.
  18. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Feldgerätetransmitter ein Funkmodul (19) vorgesehen ist, und dass der Energiebedarf des Funkmoduls (19) mittels einer Energiezwischenspeichereinheit (17) und über eine Regelung durch eine Energieversorgungssteuereinheit (16) von einer thermoelektrischen Generatoreinheit gedeckt ist.
  19. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass neben einem Feldgerätetransmitter eine Funkantenne vorgesehen ist.
  20. Schutzgehäusevorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass vom Feldgerätetransmitter eine Signalleitung und eine sekundäre bidirektionale Versorgungsleitung mit der mindestens von einer vergleichbaren zweiten thermoelektrisch betriebenen oder herkömmlichen Versorgungsnetzinstallation, elektrischer Strom erhalten oder an die Sekundärinstallation abgebbar ist.
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