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Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Generatorrohr zum Erzeugen von elektrischer Energie und ein Verfahren zum Herstellen des Generatorrohrs.
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Herkömmlich wird zur Erzeugung von elektrischer Energie Wärme in einer Wärmekraftmaschine in mechanische Energie umgewandelt. Die mechanische Energie wird anschließend in einem Generator in die elektrische Energie umgewandelt. Alternativ dazu kann Wärme auch unter Ausnutzung des Seebeck Effektes direkt in elektrische Energie umgewandelt werden. Der Seebeck Effekt tritt auf, wenn ein elektrischer Leiter einen Temperaturgradienten aufweist, was bedeutet, dass er eine kalte Stelle und eine warme Stelle aufweist. Dadurch entsteht aufgrund einer unterschiedlichen kinetischen Energie der Elektronen an der kalten Stelle und an der warmen Stelle eine elektrische Spannung zwischen den beiden Stellen. Der zu dem Seebeck Effekt umgekehrte Effekt ist der Peltier Effekt, der in einem Peltier Element ausgenutzt wird. In dem Peltier Element führt ein Stromfluss zu einem Temperaturgradienten in dem Peltier Element.
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Herkömmliche Vorrichtungen, die den Seebeck oder den Peltier Effekt ausnutzen, weisen Thermoschenkel aus einem thermoelektrischen Material von ungefähr 1 mm Höhe auf. Die Thermoschenkel sind auf gut wärmeleitfähige Platten aus Aluminiumoxid aufgebracht, wodurch die Vorrichtungen starr und unflexibel sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein thermoelektrisches Generatorrohr und ein Verfahren zum Herstellen des Generatorrohrs zu schaffen, wobei mittels des Generatorrohrs mit Hilfe einer Wärmequelle elektrische Energie effektiv erzeugbar ist.
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Das erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorrohr zum Erzeugen von elektrischer Energie mittels einer von dem Generatorrohr ummantelten Wärmequelle und/oder Wärmesenke ist von einer Helixstruktur gebildet, die ein elektrisch leitfähiges sowie innenliegendes Innenleitband und ein elektrisch leitfähiges sowie außenliegendes Außenleitband aufweist, die im Wesentlichen gleich breit und mit gleicher Steigung so gewickelt sind, dass die Windungen voneinander elektrisch isoliert sind und die Windungen des Innenleitbands und die Windungen des Außenleitbands auf Lücke stehen sowie im Radialabstand voneinander angeordnet sind, wodurch zwischen dem Außenleitband und dem Innenleitband zwei Zwischenräume ausgebildet sind, die jeweils zwischen dem einen Rand des Innenleitbands und des dazu unmittelbar benachbart angeordneten Rands des Außenleitbands angeordnet sind, so dass die Zwischenräume doppelhelixartig ausgebildet sind, wobei in dem einen der Zwischenräume eine erste Schicht, die p-dotierte, thermoelektrische und perkolierende Partikel aufweist, und in dem anderen Zwischenraum eine zweite Schicht angeordnet sind, die n-dotierte, thermoelektrische und perkolierende Partikel aufweist, wobei die Schichten mit ihren jeweils benachbart angeordneten Abschnitten der Leitbänder elektrisch leitfähig sind und das Generatorrohr mindestens einfach in Axialrichtung geschlitzt ist, so dass das Generatorrohr in Abschnitte unterteilt ist, die thermoelektrische, in Reihe geschaltete Elemente bilden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen des thermoelektrischen Generatorrohrs weist folgende Schritte auf: Einbringen von p-dotierten, thermoelektrischen und perkolierenden Partikeln in ein erstes flexibles Kunstharz; Einbringen von n-dotierten, thermoelektrischen und perkolierenden Partikeln in ein zweites flexibles Kunstharz; Herstellen eines ersten Bands durch Aufbringen des ersten Kunstharzes auf eine erste Trägermatrix; Herstellen eines zweiten Bands durch Aufbringen des zweiten Kunstharzes auf eine zweite Trägermatrix; Wickeln eines elektrisch leitfähigen Innenleitbands zu einer Innenhelixstruktur, wobei die Ränder des Innenleitbands von Windung zu Windung voneinander elektrisch isoliert sind; Wickeln der Bänder auf das Innenleitband zu einer Doppelhelixstruktur, wobei die Bänder in einem Bereich angeordnet sind, der zwischen den Rändern des Innenleitbands liegt, die Ränder der Bänder voneinander elektrisch isoliert sind und die Bänder mit ihren jeweils benachbart angeordneten Abschnitten der Innenleitbänder elektrisch leitfähig sind; Wickeln eines elektrisch leitfähigen Außenleitbands, das im Wesentlichen gleich breit wie das Innenleitband ist, auf die Bänder zu einer Außenhelixstruktur, wobei die Windungen des Innenleitbands und die Windungen des Außenleitbands auf Lücke stehen, die Bänder mit ihren jeweils benachbart angeordneten Abschnitten der Außenleitbänder elektrisch leitfähig und die Ränder des Außenleitbands von Windung zu Windung voneinander elektrisch isoliert sind; Herstellen mindestens eines axialen Schlitzes in das Generatorrohr, so dass das Generatorrohr in Axialrichtung geschlitzt und in Abschnitte unterteilt ist, die thermoelektrische, in Reihe geschaltete Elemente bilden.
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Die Helixstruktur weist die Innenhelixstruktur, die Doppelhelixstruktur und die Außenhelixstruktur auf. Das Generatorrohr kann vorteilhaft auf Wärmequellen mit beliebigen Geometrien aufgewickelt werden. Die Wärmequelle kann beispielsweise ein Abgasrohr sein, wobei das Abgasrohr einen beliebigen Querschnitt haben kann, wie beispielsweise einen kreisförmigen, einen rechteckigen oder einen ovalen. Bei einer vorgegebenen Länge des Generatorrohrs kann durch ein Festlegen der Breite der Bänder und der Leitbänder die Anzahl der in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elemente gewählt werden, wodurch die an dem Generatorrohr abgreifbare elektrische Spannung vorteilhaft einstellbar ist. Alternativ ist es denkbar, kein Außenleitband vorzusehen und die Helixstruktur nicht zu schlitzen, wodurch das Generatorrohr mit einem einzigen thermoelektrischen Element ausgebildet wird.
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Dadurch, dass die Partikel perkolierend in den Schichten vorliegen, bildet sich ein Netzwerk aus den Partikeln aus, das die Randpunkte der Schichten miteinander verbindet, so dass die Schichten elektrisch leitfähig sind. Die Leitbänder sind bevorzugt metallisch und können beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium aufweisen.
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Bevorzugtermaßen sind die erste Schicht und/oder die zweite Schicht mit ihren Partikeln jeweils gesintert. Während des Sinterns schmelzen die Oberflächen der Partikel, so dass die Partikel nach dem Erstarren der Oberflächen miteinander verbunden sind. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine hohe elektrische Leitfähigkeit der Schichten. Die Partikel weisen bevorzugt Bismuttellurid auf, insbesondere Bismut(III)tellurid Bi2Te3. Es können jedoch auch andere thermoelektrische Materialien eingesetzt werden.
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Die erste Schicht und/oder die zweite Schicht weisen bevorzugt eine Matrix aus einem Kunstharz auf. Dadurch haben die Schichten eine hohe mechanische Festigkeit. Bevorzugtermaßen weist das Kunstharz einen hohen anorganischen Bestandteil auf, insbesondere ein Siloxan, insbesondere ein Silikonelastomer. Bevorzugtermaßen sind die Dicken der ersten Schicht und der zweiten Schicht derart gewählt, dass die elektrischen Widerstände der Schichten in Radialrichtung im Wesentlichen gleich sind.
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Die Trägermatrizen weisen bevorzugt ein elektrisch nicht leitfähiges Gewebe und/oder ein elektrisch nicht leitfähiges Vlies auf, insbesondere weisen die Trägermatrizen PET (Polyethylenterephthalat) auf.
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Die thermoelektrischen Partikel werden bevorzugt durch eine Zufuhr von Wärme in das Generatorrohr versintert. Dadurch, dass die Partikel erst nach dem Wickeln der Bänder versintert werden, liegen sie vor dem Wickeln lose in den Bändern vor, so dass die Bänder die zum Wickeln erforderliche Flexibilität haben. Bevorzugtermaßen wird die Zufuhr von Wärme derart gewählt, dass das erste Kunstharz und/oder das zweite Kunstharz ausgebrannt werden. Die Kunstharze auszubrennen bietet sich insbesondere bei organischen Kunstharzen an, die lediglich eine geringe Temperaturstabilität haben. Nach dem Ausbrennen verbleiben lediglich die thermoelektrischen Partikel in den Schichten, so dass die Schichten vorteilhaft temperaturstabil sind. Es ist ferner bevorzugt die Trägermatrix ebenfalls auszubrennen.
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Bevorzugtermaßen wird die Zufuhr von Wärme derart gewählt, dass das erste Kunstharz und/oder das zweite Kunstharz verglasen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn ein anorganisches Kunstharz, insbesondere Siloxan, eingesetzt wird. Kunstharze mit hohen anorganischen Bestandteilen haben eine hohe Temperaturstabilität, so dass im Gegensatz zu den organischen Kunstharzen die Schichten auch dann eine hohe Temperaturstabilität haben, wenn sie in den Schichten verbleiben. Indem die Kunstharze in den Schichten verbleiben, können die Schichten mit einer hohen mechanischen Festigkeit ausgebildet werden.
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Das Kunstharz ist bevorzugt ein Thermoplast mit einer Glasübergangstemperatur unterhalb der Raumtemperatur, insbesondere Polyethylenglykol, Polyvinylpyrrolidon, Polyvinylalkohol und/oder ein Thermoplast auf Basis von Acrylnitril. Somit ist vorteilhaft sichergestellt, dass die Bänder flexibel und wickelbar sind. Alternativ dazu ist das Kunstharz bevorzugt ein unvernetzter oder teilweise vernetzter Duroplast, insbesondere ein unvernetztes Epoxidharz oder ein teilweise vernetztes Epoxidharz, insbesondere mit Dicyandiamid als Härter. Der unvernetzte und der teilweise vernetzte Duroplast sind vorteilhaft wickelbar. Des Weiteren sind der unvernetzte Duroplast und der teilweise vernetzte Duroplast klebend. Bevorzugtermaßen werden die Kunstharze mittels Rakeln und/oder mittels Tauchimprägnierung auf die Trägergewebe aufgebracht. Das Außenleitband wird bevorzugt unter einer mechanischen Vorspannung auf die Bänder gewickelt. Somit ist sichergestellt, dass bei einem Schrumpfen der Bänder während des Sinterns die Leitbänder elektrisch kontaktiert mit den Bändern sind.
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Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigen
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1, 2 und 3 jeweils eine perspektivische Ansicht eines Generatorrohrs zu einem Zeitpunkt während des Wickelns,
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4 einen Längsschnitt durch das fertig gestellte Generatorrohr und
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5 ein thermoelektrisches Element des Generatorrohrs.
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Wie es aus 1 bis 3 ersichtlich ist, umhüllt ein Generatorrohr 1 eine Wärmequelle 2. Die Wärmequelle 2 hat die Form eines Zylinders, denkbar sind jedoch auch andere Formen, wie beispielsweise ein Quader. Das Generatorrohr 1 weist ein elektrisch leitfähiges Innenleitband 3, ein elektrisch leitfähiges Außenleitband 4, ein erstes Band 5, welches p-dotierte, thermoelektrische und perkolierende Partikel aufweist, und ein zweites Band 6 auf, welches p-dotierte, thermoelektrische und perkolierende Partikel aufweist. Das Innenleitband 3, das Außenleitband 4, das erste Band 5 und das zweite Band 6 weisen jeweils einen ersten Rand 7, 13, 9, 11 und jeweils einen zweiten Rand 8, 14, 10, 12 auf, wobei die Ränder 7 bis 14 jeweils an den Längsseiten der Leitbänder 3, 4 und der Bänder 5, 6 angeordnet sind. Die ersten Ränder 7, 13, 9, 11 und die zweiten Ränder 8, 14, 10, 12 sind jeweils auf der gleichen axialen Seite angeordnet.
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Das Innenleitband 3 ist helixförmig und unmittelbar auf die Wärmequelle 2 gewickelt, wobei zwischen dem ersten Rand 7 und dem zweiten Rand 8 des Innenleitbands ein erster Spalt 26 vorgesehen ist, der derart breit ist, dass jede Windung des Innenleitbands 3 von den ihr benachbart angeordneten Windungen des Innenleitbands 3 elektrisch isoliert ist. Ist die Oberfläche der Wärmequelle 2 elektrisch leitfähig, so ist es erforderlich, dass auf die Oberfläche der Wärmequelle 2 eine elektrisch isolierende Schicht aufgebracht wird.
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Unmittelbar auf das Innenleitband 3 sind die beiden Bänder 5, 6 aufgebracht, wobei der erste Rand 9 des ersten Bands 5 bündig mit dem ersten Rand 7 des Innenleitbands 3 und der zweite Rand 12 des zweiten Bandes 6 bündig mit dem zweiten Rand 8 des Innenleitbands 3 ist. Zwischen den Rändern 9 bis 12 der Bänder 5, 6 sind ein zweiter Spalt 27 und ein dritter Spalt 27 vorgesehen, die derart breit sind, dass jede Windung der Bänder 5, 6 von den ihr benachbart angeordneten Windungen der Bänder 5, 6 elektrisch isoliert ist. In 2 wird zuerst das Innenleitband 3 auf die Wärmequelle 2 gewickelt und anschließend werden die Bänder 5, 6 auf das Innenleitband 3 gewickelt. In 3 werden die Bänder 5, 6 zuerst auf das Innenleitband 3 aufgebracht und anschließend wird das Innenleitband 3 zusammen mit den Bändern 5, 6 in einem einzigen Verfahrensschritt auf die Wärmequelle 2 gewickelt.
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Wie es aus 2 und 3 ersichtlich ist, wird unmittelbar auf die Bänder 5, 6 das Außenleitband 4 mit einem Versatz von einer halben Ganghöhe zu dem Innenleitband 3 gewickelt. Dabei ist der zweite Rand 10 des ersten Bands 5 bündig mit dem zweiten Rand 14 des Außenleitbands 4 und der erste Rand 11 des zweiten Bandes 6 ist bündig mit dem ersten Rand 13 des Außenleitbands 4. Zwischen den Rändern 13, 14 des Außenleitbands 4 ist ein vierter Spalt 29 vorgesehen, der derart breit ist, dass jede Windung des Außenleitbands 4 von den ihr benachbart angeordneten Windungen des Außenleitbands 4 elektrisch isoliert ist. Die Spalte 26 bis 29 können beispielsweise 100 µm breit und es kann in die Spalte 26 bis 29 ein elektrisch isolierendes Material eingebracht sein.
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4 zeigt einen Längsschnitt des fertig gestellten Generatorrohrs 1, welches die Wärmequelle umhüllt. Unmittelbar auf die Wärmequelle 2 sind drei Schichten angeordnet, wobei die erste, unmittelbar auf die Wärmequelle 2 aufgebrachte Schicht das Innenleitband 3 aufweist. Die zweite, unmittelbar auf die erste Schicht aufgebrachte Schicht weist in Axialrichtung abwechselnd das erste Band 5 und das zweite Band 6 auf. Die dritte, unmittelbar auf die zweite Schicht aufgebrachte Schicht weist das Außenleitband 4 auf. Ebenfalls dargestellt ist in 4 ein Schlitz 24, welcher in Axialrichtung alle drei Schichten durchtrennt.
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Durch den Schlitz 24 wird eine Mehrzahl an in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen ausgebildet, wobei der Querschnitt eines thermoelektrischen Elements 25 in der Detailansicht aus 5 dargestellt ist. Das Innenleitband 3, das Außenleitband 4, das erste Band 5 und das zweite Band 6 weisen jeweils eine innenliegende Seite 15, 17, 19, 21 und jeweils eine außenliegende Seite 16, 18, 20, 22 auf. Die beiden Leitbänder 3, 4 sind in einem Radialabstand 23 zueinander angeordnet. Im Betrieb des Generatorrohrs 1 liegt in den Bändern 5, 6 ein Temperaturgradient vor, wobei die innenliegenden Seiten 19, 21 wärmer als die außenliegenden Seiten 20, 22 sind.
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Wie es aus 5 ersichtlich ist, sind die Bänder 5, 6 mit ihren außenliegenden Seiten 20, 22 unmittelbar benachbart an der innenliegenden Seite 17 einer Windung des Außenleitbands 4 angeordnet. Die Bänder 5, 6 sind mit dem Außenleitband 4 derart kontaktiert, dass die Bänder mit ihren außenliegenden Seiten 20, 22 via das Außenleitband 4 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Die Bänder 5, 6 sind mit ihren innenliegenden Seiten 19, 21 unmittelbar benachbart an der außenliegenden Seite 16 des Innenleitbands 3 angeordnet, wobei das erste Band 5 und das zweite Band 6 an zwei benachbart angeordneten Windungen des Innenleitbands 3 angeordnet sind. Weil die Schichten den Schlitz 24 in Axialrichtung aufweisen, sind benachbart angeordnete Windungen voneinander elektrisch isoliert. Die Bänder 5, 6 sind mit dem Innenleitband 3 derart kontaktiert, dass die Bänder mit ihren innenliegenden Seiten 19, 21 via das Innenleitband 3 elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Da das Innenleitband 3 versetzt zu dem Außenleitband angeordnet ist, ergibt sich eine Reihenschaltung von thermoelektrischen Elementen 25.
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Das Verfahren zum Herstellen des Generatorrohrs ist beispielhaft wie folgt durchzuführen: Einbringen von p-dotierten, thermoelektrischen und perkolierenden Partikeln, die Bismut(III)tellurid aufweisen, in ein erstes flexibles Kunstharz, das ein Thermoplast aufweist; Einbringen von n-dotierten, thermoelektrischen und perkolierenden Partikeln, die Bismut(III)tellurid aufweisen, in ein zweites flexibles Kunstharz, das ein Thermoplast aufweist; Herstellen eines ersten Bandes 5 durch Aufbringen des ersten Kunstharzes auf ein erstes Trägergewebe mittels Tauchimprägnierung; Herstellen eines zweiten Bandes 6 durch Aufbringen des zweiten Kunstharzes auf ein zweites Trägergewebe mittels Tauchimprägnierung; Wickeln eines elektrisch leitfähigen Innenleitbands 3 zu einer Innenhelixstruktur, wobei die Ränder 7, 8 des Innenleitbands 3 von Windung zu Windung voneinander elektrisch isoliert sind; Wickeln der Bänder 5, 6 auf das Innenleitband 3 zu einer Doppelhelixstruktur, wobei die Ränder 9 bis 12 der Bänder 5, 6 voneinander elektrisch isoliert und die Bänder 5, 6 mit ihren innenliegenden Seiten 19, 21 überall unmittelbar auf den Innenleitbändern 3 angeordnet sind, wodurch die Bänder 5, 6 mit ihren jeweils benachbart angeordneten Abschnitten der Innenleitbänder 3 elektrisch leitfähig sind; Wickeln eines elektrisch leitfähigen Außenleitbands 4, das im Wesentlichen gleich breit wie das Innenleitband 3 ist, zu einer Außenhelixstruktur, wobei die Windungen des Innenleitbands 3 und die Windungen des Außenleitbands 3 auf Lücke stehen, die Bänder 5, 6 mit ihren jeweils benachbart angeordneten Abschnitten der Außenleitbänder 4 elektrisch leitfähig und die Ränder des Außenleitbands 4 von Windung zu Windung voneinander elektrisch isoliert sind; Herstellen mindestens eines axialen Schlitzes 24 in das Generatorrohr 1, so dass das Generatorrohr 1 in Axialrichtung geschlitzt ist und in Abschnitte unterteilt ist, die thermoelektrische, in Reihe geschaltete Elemente 25 bilden; Versintern der thermoelektrischen Partikel durch eine Zufuhr von Wärme in das Generatorrohr 1, wobei die Zufuhr von Wärme derart gewählt wird, dass das erste Kunstharz und das zweite Kunstharz ausgebrannt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
