DE102012003107A1 - Thermoelectric generator arrangement for network independent power supply, has main heat conducting element and auxiliary heat conducting element that are arranged parallel by measuring rod to protect against mechanical load - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoranordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke. Derartige Generatoranordnung werden zur netzunabhängigen Stromversorgung von elektrischen Betriebsmitteln eingesetzt. Insbesondere autonome Feldgeräte in Anlagen der Prozessautomatisierung, die zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet sind, werden bevorzugt mit lokalen Einrichtungen zur ihrer Energieversorgung ausgestattet.The invention relates to a thermoelectric generator arrangement for generating electrical energy from a temperature gradient between a heat source and a heat sink. Such generator arrangement are used for mains-independent power supply of electrical equipment. In particular, autonomous field devices in process automation systems designed for wireless communication are preferably equipped with local devices for their power supply.
Derartige Generatoranordnungen weisen mindestens ein thermoelektrisches Wandlerelement auf, das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement mit der Wärmequelle und das zweite Wärmeleitelement mit der Wärmesenke verbunden ist. Für die beste thermische Wärmeübertragung und eine große Wärmestromdichte entlang der thermoelektrischen Generatoranordnung müssen die heiße und die kalte Seite des Wandlerelements in guten thermischen Kontakt mit den zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus stehen.Such generator arrangements have at least one thermoelectric conversion element which is embedded between a first and a second heat-conducting element, wherein the first heat-conducting element is connected to the heat source and the second heat-conducting element is connected to the heat sink. For best thermal heat transfer and high heat flux along the thermoelectric generator assembly, the hot and cold sides of the transducer element must be in good thermal contact with the two different temperature levels.
Die Wandlerelemente sind mechanisch sehr empfindlich und fragil. Zu ihrem Schutz ist es bekannt, einen oder mehrere Abstandshalter mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorzusehen, die dem Wandlerelement zwischen den Wärmeleitelementen parallelgeordnet sind. Typischerweise bestehen die Abstandshalter aus Kunststoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Allerdings muß die Materialstärke der Abstandshalter mit der Bauhöhe des Wandlerelements korrespondieren.The transducer elements are mechanically very fragile and fragile. For their protection, it is known to provide one or more spacers with low thermal conductivity, which are arranged parallel to the transducer element between the heat conducting elements. Typically, the spacers are made of plastic with low thermal conductivity. However, the material thickness of the spacers must correspond to the overall height of the transducer element.
Aus der
Nachteilig an dieser Anordnung ist die große Toleranzabhängigkeit dieser Bauweise. Die thermoelektrischen Wandlerelemente weisen herstellungsbedingt unterschiedliche Bauhöhen auf. Bei gleichbleibender Bauhöhe des Abstandshalters erhöht sich der thermische Übergangswiderstand zu den Wärmeleitelementen bei Wandlerelementen geringerer Bauhöhe. Im gleichen Verhältnis sinkt die Energieausbeute der Generatoranordnung. Darüber hinaus weisen Abstandshalter aus Kunststoff erhebliche Bauhöhentoleranzen auf. Die Toleranzen, die erfüllt werden müssen, sind in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Wenn die Dicke des Abstandhalters zu klein ist, besteht die Gefahr, dass die Wandlerelemente Druckbelastungen ausgesetzt sind, die schließlich zu ihrer Zerstörung führen können. Wenn die Dicke des Abstandhalters zu groß ist, werden die Wandlerelemente unzureichend thermisch an die Wärmeleitelemente gekoppelt, was zu einen gewaltigen Rückgang der Leistung führen wird.A disadvantage of this arrangement is the large tolerance dependence of this design. The thermoelectric transducer elements have manufacturing due to different heights. If the overall height of the spacer remains the same, the thermal contact resistance to the heat-conducting elements increases in the case of converter elements of smaller overall height. In the same ratio, the energy yield of the generator arrangement decreases. In addition, plastic spacers have significant height tolerances. The tolerances that must be met are on the order of a few microns. If the thickness of the spacer is too small, there is a risk that the transducer elements will be exposed to compressive stresses that may eventually lead to their destruction. If the thickness of the spacer is too large, the transducer elements will be insufficiently thermally coupled to the heat-conducting elements, resulting in a huge decrease in performance.
Ferner ist aus der
Darüber hinaus ist aus der
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Generatoranordnung, deren thermoelektrischen Wandlerelemente durch Abstandhalter geschützt sind, anzugeben, deren Abstandhalter eine hohe mechanische Stabilität bei möglichst geringer thermischer Leitfähigkeit und geringer Fertigungstoleranz bei geringem Fertigungsaufwand aufweisen.The invention is therefore based on the object, a thermoelectric generator assembly, the thermoelectric transducer elements are protected by spacers indicate, the spacers have a high mechanical stability with the lowest possible thermal conductivity and low manufacturing tolerance with low production costs.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved with the features of
Die Erfindung geht aus von einer thermoelektrischen Generatoranordnung mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlerelement aus, das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement mit der Wärmequelle und das zweite Wärmeleitelement mit der Wärmesenke verbunden ist und das durch parallelgeordnete Abstandshalter vor mechanischer Beanspruchung geschützt ist. Jedes thermoelektrische Wandlerelement weist elektrische Anschlüsse zum Abgriff der elektrischen Energie auf.The invention is based on a thermoelectric generator arrangement with at least one thermoelectric conversion element which is embedded between a first and a second heat conducting element, wherein the first heat conducting element with the heat source and the second heat conducting element is connected to the heat sink and by parallel spaced spacers against mechanical stress is protected. each Thermoelectric transducer element has electrical connections for tapping the electrical energy.
Erfindungsgemäß sind mechanisch stabile Kugeln als Abstandhalter vorgesehen.According to the invention, mechanically stable balls are provided as spacers.
Vorteilhafterweise weist die Kugelform eine minimale Kontaktfläche zu den Wärmeleitelementen. Daraus folgt ein minimaler Verlustwärmestrom parallel zu dem mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelement.Advantageously, the spherical shape has a minimal contact surface with the heat-conducting elements. This results in a minimum heat loss current parallel to the at least one thermoelectric conversion element.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Kugeln aus Metall.According to a further feature of the invention, the balls are made of metal.
Derartige Metallkugeln weisen eine hohe Formstabilität auf und sind in toleranzarmer Ausführung handelsübliche Massengüter, beispielsweise in der Kugellagerindustrie.Such metal balls have a high dimensional stability and are in low-tolerance execution commercially available bulk goods, for example in the ball bearing industry.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Kugeln aus rostfreiem Stahl.According to a further feature of the invention, the balls are made of stainless steel.
Vorteilhafterweise vereinen Kugeln aus rostfreiem Stahl eine hohe Formstabilität in toleranzarmer Ausführung mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit.Advantageously, stainless steel balls combine a high dimensional stability in a low-tolerance design with a low thermal conductivity.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Kugeln durch einen Halter in ihrer Lage zueinander und zu dem mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelement fixiert.According to a further feature of the invention, the balls are fixed by a holder in their position to each other and to the at least one thermoelectric conversion element.
Vorteilhafterweise werden mechanische Beanspruchungen des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements durch unbeabsichtigte Lageänderungen der Kugeln vermieden.Advantageously, mechanical stresses of the at least one thermoelectric transducer element are avoided by unintentional changes in position of the balls.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Halter eine Platte, die jeweils eine Ausnehmung pro Kugel und jeweils eine Ausnehmung pro thermoelektrischem Wandlerelement aufweist.According to a further feature of the invention, the holder is a plate which has one recess per ball and one recess per thermoelectric transducer element.
Vorteilhafterweise ist durch das Muster aller Ausnehmungen im Halter die Lage der Kugeln und des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements zueinander fest definiert und während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs unveränderbar.Advantageously, by the pattern of all recesses in the holder, the position of the balls and the at least one thermoelectric transducer element to each other firmly defined and unchangeable during normal use.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Halter eine Leiterplatte, die Leiterbahnen aufweist, die mit den elektrischen Anschlüssen des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements verbunden sind. Die Leiterbahnen sind nach außen geführt und weisen Anschlüsse zum Abgriff der elektrischen Energie der thermoelektrischen Generatoranordnung auf.According to a further feature of the invention, the holder is a printed circuit board having printed conductors which are connected to the electrical terminals of the at least one thermoelectric conversion element. The conductor tracks are led to the outside and have connections for tapping off the electrical energy of the thermoelectric generator arrangement.
Vorteilhafterweise genügt ein Bauelement sowohl zur Lagefixierung der Kugeln und des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements als auch zur Ausleitung der elektrischen Energie der thermoelektrischen Generatoranordnung.Advantageously, a component is sufficient both for fixing the position of the balls and the at least one thermoelectric conversion element as well as for discharging the electrical energy of the thermoelectric generator assembly.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Leiterplatte flexibel ausgebildet.According to a further feature of the invention, the circuit board is flexible.
Vorteilhafterweise sind die Anschlüsse zur Ableitung der elektrischen Energie variabel an die konkrete Bauform der Generatoranordnung anpassbar. Dabei sind Lötpunkte zum Anschluß von Verbindungsleitungen in unmittelbarer Nähe des Wandlerelements versichtbar. Neben dem geringeren Platzbedarf unmittelbar in der Ebene der Wandlerelemente wird eine höhere Zugfestigkeit der Lötverbindung zum Anschluß der Verbindungsleitungen erreicht.Advantageously, the connections for deriving the electrical energy can be variably adapted to the specific design of the generator arrangement. In this case, soldering points for connecting connecting lines in the immediate vicinity of the transducer element are versichtbar. In addition to the smaller footprint directly in the plane of the transducer elements a higher tensile strength of the solder joint for connecting the connecting lines is achieved.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wärmeleitelemente unter Zwischenlage der Kugeln, des Halters sowie des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements formschlüssig bei vorgegebener Anpresskraft miteinander verbunden.According to a further feature of the invention, the heat-conducting elements with the interposition of the balls, the holder and the at least one thermoelectric transducer element are positively connected to one another at a predetermined contact pressure.
Dadurch wird ein sehr guter thermischer Kontakt und eine hohe Energieausbeute bei begrenzter mechanischer Beanspruchung des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements zu den Wärmeleitelementen erreicht.As a result, a very good thermal contact and a high energy yield with limited mechanical stress of the at least one thermoelectric conversion element to the heat-conducting elements is achieved.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. The necessary drawings show:
In der
Das ersten Wärmeleitelement
Unter der Voraussetzung, dass die Wärmequelle
Die wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente
Die Wärmeleitelemente
In bevorzugter Ausführung der Generatoranordnung sind die Wärmeleitelemente
In der
Die Leiterbahnen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wandlerelementtransducer element
- 2, 32, 3
- Wärmeleitelementthermally conductive element
- 44
- Wärmequelleheat source
- 55
- Wärmesenkeheat sink
- 66
- Abstandhalter, KugelSpacer, ball
- 77
- Halterholder
- 71x71x
- Ausnehmungrecess
- 7272
- Leiterbahnconductor path
- 88th
- Schraubescrew
- 99
- Federfeather
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102007056150 A1 [0004] DE 102007056150 A1 [0004]
- DE 20107112 U1 [0006] DE 20107112 U1 [0006]
- WO 2004/082099 A1 [0007] WO 2004/082099 A1 [0007]
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- 2012-02-16 DE DE102012003107.6A patent/DE102012003107B4/en active Active
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R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
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