DE102012003107B4 - Thermoelectric generator arrangement - Google Patents
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Abstract
Thermoelektrischen Generatoranordnung mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlerelement (1), das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement (2, 3) eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement (2) mit der Wärmequelle (4) und das zweite Wärmeleitelement (3) mit der Wärmesenke (5) verbunden ist und das durch parallelgeordnete Abstandshalter (6) vor mechanischer Beanspruchung geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandhalter (6) als mechanisch stabile Kugeln ausgebildet sind, die durch einen Halter (7) in ihrer Lage zueinander und zu dem mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelement (1) fixiert sind.Thermoelectric generator arrangement with at least one thermoelectric converter element (1) which is embedded between a first and a second heat-conducting element (2, 3), the first heat-conducting element (2) with the heat source (4) and the second heat-conducting element (3) with the heat sink (5) is connected and which is protected from mechanical stress by spacers (6) arranged in parallel, characterized in that the spacers (6) are designed as mechanically stable balls which are in their position relative to one another and to the at least a thermoelectric converter element (1) are fixed.
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 arrangements are used for the off-grid power supply of electrical equipment. In particular, autonomous field devices in process automation systems that are designed for wireless communication are preferably equipped with local devices for their energy 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 converter element which is embedded between a first and a second heat-conducting element, the first heat-conducting element being connected to the heat source and the second heat-conducting element being connected to the heat sink. For the best thermal heat transfer and a high heat flux density along the thermoelectric generator arrangement, the hot and the cold side of the converter 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 sensitive and fragile. To protect them, 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.The disadvantage of this arrangement is the large tolerance dependency of this design. The thermoelectric converter elements have different construction heights due to the manufacturing process. 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 with a lower overall height. The energy yield of the generator arrangement falls in the same ratio. In addition, spacers made of plastic have considerable overall height tolerances. The tolerances that must be met are on the order of a few micrometers. If the thickness of the spacer is too small, there is a risk that the transducer elements are exposed to pressure loads which can ultimately lead to their destruction. If the thickness of the spacer is too great, the transducer elements will be insufficiently thermally coupled to the heat conducting elements, which will lead to a huge drop in performance.
Ferner ist aus der
Darüber hinaus ist aus der
Aus der
Schließlich 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 of specifying a thermoelectric generator arrangement, the thermoelectric converter elements of which are protected by spacers, the spacers of which have a high mechanical stability with the lowest possible thermal conductivity and low manufacturing tolerance with little manufacturing effort.
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 converter element, which is embedded between a first and a second heat-conducting element, the first heat-conducting element being connected to the heat source and the second heat-conducting element being connected to the heat sink and being protected from mechanical stress by spacers arranged in parallel is protected. Each thermoelectric converter 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.The spherical shape advantageously has a minimal contact surface with the heat-conducting elements. This results in a minimal heat loss flow parallel to the at least one thermoelectric converter 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 degree of dimensional stability and are commercially available bulk goods in low-tolerance design, 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 high dimensional stability in a low-tolerance design with 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 in their position relative to one another and to the at least one thermoelectric converter element by a holder.
Vorteilhafterweise werden mechanische Beanspruchungen des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements durch unbeabsichtigte Lageänderungen der Kugeln vermieden.Mechanical stresses on the at least one thermoelectric converter element due to unintentional changes in position of the balls are advantageously avoided.
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 converter 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.The position of the balls and of the at least one thermoelectric converter element with respect to one another is advantageously defined in a fixed manner by the pattern of all the recesses in the holder and cannot be changed 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 which has conductor tracks that are connected to the electrical connections of the at least one thermoelectric converter element. The conductor tracks are led to the outside and have connections for tapping 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.One component is advantageously sufficient both to fix the position of the balls and the at least one thermoelectric converter element and to divert the electrical energy of the thermoelectric generator arrangement.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Leiterplatte flexibel ausgebildet.According to a further feature of the invention, the circuit board is designed to be 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 conducting away the electrical energy can be variably adapted to the specific design of the generator arrangement. Soldering points for connecting connecting lines can be seen in the immediate vicinity of the transducer element. In addition to the lower space requirement directly in the plane of the transducer elements, a higher tensile strength of the soldered connection 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 are positively connected to one another with the interposition of the balls, the holder and the at least one thermoelectric converter element with a predetermined contact force.
Dadurch wird ein sehr guter thermischer Kontakt und eine hohe Energieausbeute bei begrenzter mechanischer Beanspruchung des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements zu den Wärmeleitelementen erreicht.This achieves very good thermal contact and a high energy yield with limited mechanical loading of the at least one thermoelectric converter element to the heat-conducting elements.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
-
1 : eine geschnittene Prinzipdarstellung einer Generatoranordnung, -
2 : eine Prinzipdarstellung eines Halters mit Leiterbahnen für eine Mehrzahl von Wandlerelementen.
-
1 : a sectional schematic representation of a generator arrangement, -
2 : a schematic diagram of a holder with conductor tracks for a plurality of transducer elements.
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 symbols
- 11
- WandlerelementTransducer element
- 2,32.3
- WärmeleitelementHeat conducting element
- 44th
- WärmequelleHeat source
- 55
- WärmesenkeHeat sink
- 66th
- Abstandhalter, KugelSpacer, ball
- 77th
- Halterholder
- 71x71x
- AusnehmungRecess
- 7272
- LeiterbahnTrack
- 88th
- Schraubescrew
- 99
- Federfeather
Claims (7)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102012003107.6A DE102012003107B4 (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Thermoelectric generator arrangement |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102012003107.6A DE102012003107B4 (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Thermoelectric generator arrangement |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102012003107A1 DE102012003107A1 (en) | 2013-08-22 |
DE102012003107B4 true DE102012003107B4 (en) | 2021-07-15 |
Family
ID=48914912
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102012003107.6A Active DE102012003107B4 (en) | 2012-02-16 | 2012-02-16 | Thermoelectric generator arrangement |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102012003107B4 (en) |
Citations (5)
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DE20107112U1 (en) | 2001-04-25 | 2001-07-05 | Abb Patent Gmbh, 68309 Mannheim | Device for supplying energy to field devices |
WO2004082099A1 (en) | 2003-03-12 | 2004-09-23 | Abb Research Ltd. | Arrangement and method for continuously supplying electric power to a field device in a technical system |
DE102007056150A1 (en) | 2007-11-16 | 2009-05-20 | Micropelt Gmbh | Energy-self-sufficient sensor system for determining e.g. temperature, to detect condition of liquid, in transmissions of road vehicle, has carrier element inserted in opening of element such that measuring variable is determined by sensor |
-
2012
- 2012-02-16 DE DE102012003107.6A patent/DE102012003107B4/en active Active
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Legal Events
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R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: ABB SCHWEIZ AG, CH Free format text: FORMER OWNER: ABB TECHNOLOGY AG, ZUERICH, CH |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: MAIWALD GMBH, DE Representative=s name: MAIWALD PATENTANWALTS- UND RECHTSANWALTSGESELL, DE |
|
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |