DE1539300B1

DE1539300B1 - Thermoelectric generator

Info

Publication number: DE1539300B1
Application number: DE19671539300
Authority: DE
Inventors: Eckehard Dr-Ing Schmidt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1967-11-27
Filing date: 1967-11-27
Publication date: 1970-11-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen Generator mit einem Gehäuse, in dessen Innenraum eine mit fossilen Brennstoffen betriebene Wärmequelle, deren Verbrennungsluft durch eine zumindest teilweise Führung der Verbrennungsluftzuleitung im Bereich des Abgasstromes vorgewärmt wird, und Halbleiter-Thermoelemente; die auf der Seite ihrer kalten Kontaktstelle Kühlkörper aufweisen, angeordnet sind.The invention relates to a thermoelectric generator with a housing, in the interior of which a fossil fuel operated Heat source, the combustion air of which by at least partially routing the combustion air supply line is preheated in the area of the exhaust gas flow, and semiconductor thermocouples; the have heat sinks on the side of their cold contact point, are arranged.

Derartige thermoelektrische Generatoren sind beispielsweise aus der britischen Patentschrift 927 013 bekannt.Such thermoelectric generators are for example from British Patent 927 013 known.

Ferner ist ein thermoelektrischer Generator bekannt (französische Patentschrift 543 149), bei dem ebenfalls die Verbrennungsluft vorgewärmt wird und bei dem innerhalb eines Schachtes, dessen Wand von der heißen Kontaktstelle eines Thermoelements gebildet wird, eine Verbrennungsluftleitung angeordnet ist, die längs des Schachtes mehrere öffnungen aufweist. Innerhalb der Verbrennungsluftleitung ist eine Brennstoffleitung angeordnet.A thermoelectric generator is also known (French Patent specification 543 149), in which the combustion air is also preheated and in the case of the inside of a shaft, the wall of which from the hot contact point of a Thermocouple is formed, a combustion air line is arranged, the longitudinal the shaft has several openings. Inside the combustion air line a fuel line is arranged.

Bei thermoelektrischen Generatoren ist es auch bekannt (USA:-Patentschrift 2 987 564), die Wärmequelle, die Thermoelemente und die Kühlkörper in dieser Reihenfolge senkrecht übereinander anzuordnen.It is also known for thermoelectric generators (USA: patent specification 2 987 564), the heat source, the thermocouples and the heat sinks in that order to be arranged vertically one above the other.

Bei thermoelektrischen Generatoren wird angestrebt, möglichst viel Leistung bei günstigem Wirkungsgrad aus einer gegebenen Anordnung von Thermoelementen zu erzielen. Bekanntlich steigt die Leistung eines thermoelektrischen Generators bei vorgegebenen Thermoelementen mit der Temperaturdifferenz zwischen warmer und kalter Kontaktstelle. Der Wirkungsgrad hängt dann von der Höhe des Verlustes ab, der durch die ungenutzte Abgas- ; Enthalpie gegeben ist.In the case of thermoelectric generators, the aim is to achieve as much as possible Performance with favorable efficiency from a given arrangement of thermocouples to achieve. It is well known that the output of a thermoelectric generator increases for given thermocouples with the temperature difference between warm and cold contact point. The efficiency then depends on the amount of loss, the by the unused exhaust gas; Enthalpy is given.

Bei den bekannten thermöelektrischen Generatoren, bei denen die Verbrennungsluft regenerativ vorgewärmt wird, wird der Wirkungsgrad und die Leistungsausbeute der Generatoren gesteigert. Eine solche regenerative Vorwärmung ist immer dann besonders notwendig, wenn Materialpaarungen für die Thermoelemente verwendet werden, die erst bei hohen Temperaturen über 1000° C ihr Leistungsmaximum erzielen.In the known thermoelectric generators in which the combustion air is regeneratively preheated, the efficiency and the power output of the Generators increased. Such regenerative preheating is always special necessary if material pairings are used for the thermocouples that are achieve their maximum performance at high temperatures above 1000 ° C.

Von dieser Erkenntnis ausgehend, besteht die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe nun darin, einen thermoelektrischen Generator der zuvor genannten Art zu schaffen, der bei möglichst kompaktem Aufbau wenig aufwendig ist und dennoch eine sehr weitgehende und wirkungsvolle Vorwärmung der Verbrennungsluft gewährleistet.Proceeding from this knowledge, there is the basis of the invention The task now is to develop a thermoelectric generator of the aforementioned Art to create that is as compact as possible, but inexpensive and yet a very extensive and effective preheating of the combustion air is guaranteed.

Diese Aufgabe bei einem thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art wird gemäß einer Ausführung der Erfindung dadurch gelöst, daß in an sich bekannter Weise die Wärmequelle, die Thermoelemente und die Kühlkörper in dieser Reihenfolge senkrecht übereinander angeordnet sind, daß die Kühlkörper in einem von wärmedämmenden Wänden umgebenen Kühlluftschacht angeordnet sind; daß an den Kühlluftschacht ein Abgasschacht zur Abfuhr der Abgase angrenzt und daß der Abgas-Schacht von einem Schacht zur Zuführung der Verbrennungsluft umgeben ist, dessen mit dem Abgässchacbt gemeinsame Wände wärmeleitend sind.This task in a thermoelectric generator of the initially mentioned type is achieved according to one embodiment of the invention in that in on As is known, the heat source, the thermocouples and the heat sinks are in this Order are arranged vertically one above the other that the heat sinks in one are arranged by heat insulating walls surrounded cooling air shaft; that to the Cooling air duct is adjacent to an exhaust duct for removing the exhaust gases and that the exhaust duct is surrounded by a duct for supplying the combustion air, with the Abgässchacbt common walls are thermally conductive.

Bei einem thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art, bei dem die Wärmequelle in einem Schacht angeordnet ist und eine Vielzahl von Halbleiter-Thermoelementen in den Wänden des Schachtes derart über- und nebeneinander angeordnet sind; daß ihre heißen Kontaktstellen nach innen und ihre kalten Kontaktstellen nach außen weisen, besteht nach einer anderen Ausführung die Erfindung darin, daß innerhalb des Schachtes in an sich bekannter Weise eine Verbrennungsluft Leitung mit etwa in Höhe der einzelnen Thermoelemente liegenden Austrittsöffnungen angeordnet ist und daß im Inneren der Verbrennungsluftleitung in ebenfalls bekannter Weise eine Brennstoffleitung vorgesehen ist; die in Höhe der Austrittsöffnungen Brenndüsen aufweist, deren Kanäle die Verbrennungsluftleitung bis annähernd zu den Austrittsöffnungen radial durchsetzen.In the case of a thermoelectric generator of the type mentioned at the beginning, in which the heat source is arranged in a shaft and a large number of semiconductor thermocouples are arranged one above the other and next to one another in the walls of the shaft; that their hot contact points on the inside and their cold contact points on the outside have, according to another embodiment, the invention is that within of the shaft in a known manner a combustion air line with about is arranged at the level of the individual thermocouples lying outlet openings and that in the interior of the combustion air line in a likewise known manner Fuel line is provided; the burner nozzles at the level of the outlet openings has, the channels of which the combustion air line almost to the outlet openings enforce radially.

Hierbei ist zur Verbesserung des Wärmeaustauschen vorgesehen, daß die Verbrennungsluftleitung Rippen aufweist, die sowohl in den Zwischenraum zwischen Verbrennungsluftleitung und den Thermoelementen als auch in das Innere der Verbrennungsluftleitung hineinragen.Here it is provided to improve the heat exchange that the combustion air duct has ribs, which both in the space between Combustion air line and the thermocouples as well as inside the combustion air line protrude.

Bei dem kompakten Aufbau der beiden von der Erfindung vorgeschlagenen thermoelektrischen Generatoren wird durch eine sehr weitgehende Vorwärmung eine verhälnismäßig hohe Leistung bei gutem Wirkungsgrad erzielt. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Generatoren ist es zudem möglich, zur Aufbringung des erforderlichen Zuges für den Kühlluft und den Abgaskanal den sogenanuten Schornstein-Effekt auszunutzen, so daß besondere Gebläse für diese Kanäle entfallen können. Damit wird es nun möglich, die Generatoren weitgehend ohne Eigenverbrauch an elektrischer Energie zu betreiben, so daß sich die erfindungsgemäßen Generatoren gerade für autarke Stromversorgungs-Aggregate kleiner Leistung als sehr geeignet erweisen.With the compact design of the two proposed by the invention thermoelectric generators is a very extensive preheating Relatively high performance achieved with good efficiency. By the invention Construction of the generators, it is also possible to apply the required To use the so-called chimney effect for the cooling air and the exhaust gas duct, so that special fans for these channels can be omitted. It is now possible to operate the generators largely without their own consumption of electrical energy, so that the generators according to the invention are just for self-sufficient power supply units turn out to be very suitable.

An Hand der Zeichnungen sollen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden. In den F i g. 1 bis 3 sind verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators gezeigt.Two exemplary embodiments of the invention are intended to be based on the drawings are described in more detail. In the F i g. 1 to 3 are different views of a thermoelectric generator according to the invention shown.

F i g. 1 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Generator, und F i g. 2 und 3 stellen Schnitte entlang A-A und B-B des Generators von F i g. 1 dar; die F i g. 4 und 5 zeigen Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels.F i g. 1 shows a horizontal section through the generator, and F i g. 2 and 3 represent sections along A-A and B-B of the generator of FIG. 1 dar; the F i g. 4 and 5 show views of a further embodiment.

Ein beispielsweise mit Propan als Brennstoff arbeitender Brenner 10 beheizt eine Anordnung von Halbleiter-Thermoelementen 11 (F i g. 2). Als Halbleiter dienen Ge-Si-Mischkristalle, die an der warmen Kontaktstelle mit einer Temperatur bis zu 1000° C beheizt werden. Die besondere Anordnung der einzelnen Halbleiter zueinander ist hier nicht näher dargestellt.. Auf der Seite der kalten Kontaktstelle ist ein aus Kühlfahnen 12 bestehender Kühlkörper angeordnet. Die Kühlfahnen 12 befinden sich in einem Schacht 13 mit wärmedämmenden Wänden 14 und 15. Die wärmedämmenden Wände 14 und 15 stützen sich auf zwei; ebenfalls wärmedämmende Eigenschaften aufweisende Wände 16 und 17 ab, die teilweise den Brenner 10 umgeben. Zu den beiden anderen Seiten ist der Kühlkörperschacht 13 geöffnet. Zu den geöffneten Seiten hin enthält der Boden des Schachtes 13 Öffnungen, durch die die Kühlluft für die Kühlfahnen 12 eintreten kann: Durch die wärmedämmenden Wände 16 und 17 wird eine Erwärmung der Kühlluft durch den Brenner 10 verhindert. Der Verlauf der Kühlluft ist in F i g. 3 durch Pfeile angedeutet.A burner 10 that works, for example, with propane as fuel heats an arrangement of semiconductor thermocouples 11 (FIG. 2). As a semiconductor serve Ge-Si mixed crystals, which at the warm contact point with a temperature can be heated up to 1000 ° C. The special arrangement of the individual semiconductors to each other is not shown here. On the side of the cold contact point a heat sink consisting of cooling fins 12 is arranged. The cooling flags 12 are located in a shaft 13 with insulating walls 14 and 15. The insulating Walls 14 and 15 are supported on two; also having insulating properties Walls 16 and 17 which partially surround the burner 10. To the other two The heat sink slot 13 is open on the sides. Contains towards the opened pages the bottom of the shaft 13 openings through which the cooling air for the cooling fins 12 can occur: The insulating walls 16 and 17 cause heating the cooling air through the burner 10 is prevented. Of the Course of the cooling air is in Fig. 3 indicated by arrows.

An den Kühlkörperschacht 13 grenzt ein weiterer Schacht 18 an, durch den die Verbrennungsgase abgeleitet werden. Der Verbrennungsgasschacht 18, ist seinerseits von einem Schacht 19 umgeben, durch den dem Brenner 10 Verbrennungsluft zugeführt wird. Seine mit dem Verbrennungsgasschacht 18 gemeinsamen Wände sind wärmeleitend. Die Verbrennungsluft wird in den Verbrennungsluftschacht 19 von oben so eingeleitet, daß sie nach dem Gegenstromprinzip durch die im Abgasschacht 18 abströmenden Gase vorgewärmt wird. A further duct 18 , through which the combustion gases are discharged, adjoins the heat sink duct 13. The combustion gas duct 18 is in turn surrounded by a duct 19 through which combustion air is supplied to the burner 10. Its walls, which are common to the combustion gas shaft 18, are thermally conductive. The combustion air is introduced into the combustion air duct 19 from above in such a way that it is preheated by the gases flowing off in the exhaust duct 18 according to the countercurrent principle.

Bei einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators (F i g: 5) sind die Thermoelemente 20 in den Wänden eines Schachtes über- und nebeneinander angeordnet. Sie sind eingebettet in einer thermischen Isoliermasse 21 und mittels besonderer Lot- oder Klebeverbindungen am Kühlkörper 22 elektrisch isoliert gehaltert. Auf der Seite ihrer kalten Kontaktstelle weisen die Thermoelemente 20 einen gemeinsamen; aus Stäben bestehenden Kühlkörper 22 auf. Innerhalb des von den Thermoelementen 20 und der Masse 21 gebildeten Schachtes befindet sich eine Verbrennungsluftleitung 23, die in Höhe der einzelnen Thermoelemente Aus- -trittsöffnungen 24 aufweist. Zur Verbesserung des Wärmeaustausches besitzt die Verbrennungsluftleitung 23 auf ihrem Umfang Rippen 25, die sowohl in das Tnnere der Leitung 23 als auch in den Schacht hineinragen. Im Inneren der Verbrennungsluftleitung 23 ist eine Brennstoffleitung 26 angeordnet, die in Höhe der Austrittsöffnungen 24 Brenndüsen 27 aufweist, deren Kanäle die Verbrennungsluftleitung 23 bis in die Nähe der Austrittsöffnungen 24 radial durchsetzen.In another embodiment of the thermoelectric according to the invention Generator (F i g: 5), the thermocouples 20 in the walls of a shaft are above- and arranged side by side. They are embedded in a thermal insulation compound 21 and by means of special solder or adhesive connections on the heat sink 22 electrically isolated. The thermocouples point to the side of their cold contact point 20 a common; heat sink 22 consisting of rods. Within the from the thermocouples 20 and the mass 21 formed shaft is a Combustion air line 23, the outlet openings at the level of the individual thermocouples 24 has. The combustion air duct is designed to improve the heat exchange 23 on its circumference ribs 25, which both in the interior of the line 23 as well protrude into the shaft. Inside the combustion air line 23 is a fuel line 26 arranged, which has 24 burner nozzles 27 at the level of the outlet openings, the Channels the combustion air line 23 up to the vicinity of the outlet openings 24 enforce radially.

Brennstoff und Verbrennungsluft gelangen hier von oben durch die Leitungen 26 und 23 in den Generator. Jedes Thermoelement wird dabei direkt beheizt. Die Abgase entweichen nach oben durch den Zwischenraum im Schacht zwischen den Thermoelementen 20 und der Verbrennungsluftleitung 23 und erwärmen somit im Gegenstrom die Verbrennungsluft in. der Leitung 23 und den Brennstoff in der Leitung 26 vor: Im Boden des Gehäuses 28, das den Generator insgesamt umgibt, befinden sich hier nicht gezeigte Öffnungen, durch die Kühlluft für die Kühlkörper 22 eintreten kann.Fuel and combustion air come from above through the lines 26 and 23 in the generator. Each thermocouple is heated directly. The exhaust gases escape upwards through the space in the shaft between the thermocouples 20 and the combustion air line 23 and thus heat the combustion air in countercurrent in. the line 23 and the fuel in the line 26: in the bottom of the housing 28, which surrounds the generator as a whole, there are openings not shown here, can enter through the cooling air for the heat sink 22.

Durch die besondere Anordnung der Wärmequelle und die Führung der Verbrennungsluft im Abgasstrom kann unter Ausnutzung der Schornstein-Wirkung auf die Verwendung von Gebläsen verzichtet werden; so daß der Generator keinen elektrischen Eigenbedarf aufweist.:Due to the special arrangement of the heat source and the management of the Combustion air in the exhaust gas flow can take advantage of the chimney effect the use of fans is dispensed with; so the generator is not an electrical one Own needs:

Claims

Claims: 1. Thermoelectric generator with a housing, in its interior a heat source powered by fossil fuels; whose Combustion air through an at least partial routing of the combustion air supply line is preheated in the area of the exhaust gas flow, and semiconductor thermocouples that have heat sinks on the side of their cold contact point, are arranged, characterized in that, in a manner known per se, the heat source (10), the Thermocouples (11) and the heat sink (12) in this order vertically on top of each other are arranged that the heat sink (12) in one of heat insulating walls (14; 15) surrounding cooling air shaft (13) are arranged that on the cooling air shaft (13) an exhaust duct (18) for discharging the exhaust gases is adjacent and that the exhaust duct (18) is surrounded by a shaft (19) for supplying the combustion air, with which the exhaust duct (18) common walls are thermally conductive.

2. Thermoelectric Generator with a housing; in its interior one with fossil fuels operated heat source, the combustion air of which is at least partially guided the combustion air supply line is preheated in the area of the exhaust gas flow; and Semiconductor thermocouples that have heat sinks at their cold contact point, are arranged, in which the heat source is arranged in a shaft and a Large number of semiconductor thermocouples in the walls of the shaft in such a way and are arranged side by side with their hot contact points facing inwards and their cold contact points point outwards, characterized in that inside of the shaft in a known manner a combustion air line (23) with about arranged at the level of the individual thermocouples lying outlet openings (24) is and that inside the combustion air line (23) in a likewise known manner a fuel line (26) is provided which is at the level of the outlet openings (24) Has combustion nozzles (27), the channels of which the combustion air line (23) up to approximately to penetrate radially to the outlet openings (24).

3. Thermoelectric generator according to claim 2, characterized in that; that the combustion air line (23) has ribs (25) which protrude both into the space between the combustion air line (23) and the thermocouples (20) and into the interior of the combustion air line.