DE1539300C

DE1539300C - Thermoelectronic generator

Info

Publication number: DE1539300C
Authority: DE
Inventors: Eckehard Dr Ing 2000 Ham burg Schmidt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Publication date: 1971-07-01

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 Abgas§tromes 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 powered one 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 that 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 specification 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.Furthermore, a thermoelectric generator is known (French patent 543 149) in which the combustion air is also preheated and in the case of the inside of a duct, its wall is formed by the hot contact point of a thermocouple, a combustion air line is arranged is, which has several openings along the shaft. Inside the combustion air line a fuel line is arranged.

Bei thermoelektrischen Generatoren ist es auch be-' kannt (USA.-Patentschrift 2 987 564), die Wärmequelle, die Thermoelemente und die Kühlkörper in dieser Reihenfolge senkrecht übereinander anzuordnen. In the case of thermoelectric generators, it is also known (US Pat. No. 2,987,564) that the heat source, to arrange the thermocouples and the heat sinks vertically one above the other in this order.

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 obtain as much power as possible with a favorable degree of efficiency from a given arrangement of To achieve thermocouples. It is well known that the output of a thermoelectric generator increases specified thermocouples with the temperature difference between the warm and cold contact point. The efficiency then depends on the amount of loss caused by the unused exhaust gas enthalpy given is.

Bei den bekannten thermoelektrischen 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 is increased. One Such regenerative preheating is always particularly necessary when material pairings for the Thermocouples are used that only achieve their maximum performance at high temperatures above 1000 ° C.

Von dieser Erkenntnis ausgehend, besieht 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.On the basis of this knowledge, the object on which the invention is based now consists in to create a thermoelectric generator of the type mentioned above, which is as compact as possible Construction is not very complex and yet very extensive and effective preheating the combustion air 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 Abgasschacht von einem Schacht zur Zuführung der Verbrennungsluft umgeben ist, dessen mit dem Abgasschacht gemeinsame Wände wärmeleitend sind.This task with a thermoelectric generator of the type mentioned is achieved according to one embodiment of the invention in that in a manner known per se, the heat source, the thermocouples and the heat sinks in this Order are arranged vertically one above the other, that the heat sink in one of the heat insulating Walls surrounding the cooling air duct are arranged that an exhaust duct for the cooling air duct Discharge of the exhaust gases adjoins and that the exhaust duct from a duct for supplying the combustion air is surrounded, the walls of which are thermally conductive with the exhaust duct.

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 Verbrennungsluftleitung mit etwa in Höhe der einzelnen Thermoelemente liegenden Austrittsöffnungen angeordnet istIn a thermoelectric generator of the type mentioned, in which the heat source in a shaft is arranged and a plurality of semiconductor thermocouples in the walls of the Shaft are arranged one above the other and next to one another that their hot contact points after on the inside and their cold contact points on the outside, according to another embodiment the Invention is that within the shaft in a known manner a combustion air line is arranged with outlet openings lying approximately at the level of the individual thermocouples

ίο 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.ίο and that inside the combustion air line in a fuel line is also provided in a known manner, which is at the level of the outlet openings Has combustion nozzles, the channels of which the combustion air line almost to the outlet openings enforce radially.

Hierbei ist zur Verbesserung des Wärmeaustausches vorgesehen, daß die Verbiennungsluftleitung Rippen aufweist, die sowohl in den Zwischenraum zwischen Verbrennungsluftleitung und denHere, to improve the heat exchange, it is provided that the connecting air line Has ribs, both in the space between the combustion air line and the

ao Thermoelementen als auch in das Innere der Verbrennungsluftleitung hineinragen.ao thermocouples as well as inside the combustion air duct protrude.

Bei dem kompakten Aufbau der beiden von der Erfindung vorgeschlagenen thermoelektrischen Generatoren wird durch eine sehr weitgehende Vorwär- %-'With the compact design of the two thermoelectric generators proposed by the invention is due to a very extensive preheating% - '

as mung eine verhälnismäßig hohe Leistung bei gutem '* Wirkungsgrad erzielt. Durch den erfindunf,sgemäßen Aufbau der Generatoren ist es zudem möglich, zur Aufbringung des erforderlichen Zuges für den Kühlluft- und den Abgaskanal den sogenannten Schorn-a relatively high performance with good '* Achieved efficiency. Through the inventive It is also possible to set up the generators to apply the required draft for the cooling air and the exhaust duct the so-called chimney

stein-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.Take advantage of the stone effect, so that special fans for these channels can be omitted. With that it becomes it is now possible to operate the generators largely without consuming electrical energy, so that the generators according to the invention are smaller especially for self-sufficient power supply units Performance prove very appropriate.

Ah Hand der Zeichnungen sollen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben werden. In den Fig. 1 bis 3 sind verschiedene Ansichten ernes erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators gezeigt.Two exemplary embodiments of the invention are to be described in greater detail in the drawings. 1 to 3 are different views of a thermoelectric generator according to the invention shown.

Fig. 1 zeigt einen horizontalen Schnitt durch den Generator, undFig. 1 shows a horizontal section through the generator, and

Fig. 2 und 3 stellen Schnitte entlang A-A und B-B des Generators von Fig. 1 dar; dieFigures 2 and 3 show sections along AA and BB of the generator of Figure 1; the

Fig. 4 und 5 zeigen Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispieis.4 and 5 show views of a further exemplary 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 KUhlkörperschacht 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. DerA burner 10 operating, for example, with propane as fuel heats an arrangement of Semiconductor thermocouples 11 (Fig. 2). Ge-Si mixed crystals, which are attached to the warm, serve as semiconductors Contact point can be heated to a temperature of up to 1000 ° C. The special arrangement of each Semiconductors to one another are not shown in detail here. On the side of the cold contact point a heat sink consisting of cooling fins 12 is arranged. The cooling tabs 12 are located in a shaft 13 with insulating walls 14 and 15. The insulating walls 14 and 15 are based on two walls 16 and 17 "which also have insulating properties partially surround the burner 10. The heat sink shaft 13 is open on the other two sides. On the open sides, the bottom of the shaft contains 13 openings through which the cooling air for the cooling vanes 12 can enter. The heat insulating walls 16 and 17 cause heating the cooling air through the burner 10 is prevented. the

Verlauf der Kühlluft ist in F i g. 3 durch Pfeile angedeutet. The course of the cooling air is shown in FIG. 3 indicated by arrows.

An den Kühlkörperschacht 13 grenzt ein weiterer Schachtle 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.Another box adjoins the heat sink duct 13 through which the combustion gases be derived. The combustion gas shaft 18 is in turn surrounded by a shaft 19 / through the the burner 10 combustion air is supplied. Its common with the combustion gas shaft 18 Walls are thermally conductive. The combustion air is in the combustion air shaft 19 from above like this initiated that it flows through the gases flowing off in the exhaust duct 18 according to the countercurrent principle is preheated.

Bei einer anderen Ausführung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators (Fig. 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 ao 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 Austrittsöffnungen 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 generator according to the invention (FIG. 5) are the thermocouples 20 arranged one above the other and next to one another in the walls of a shaft. You are embedded in a thermal insulating compound 21 and by means of special solder or adhesive connections on the Heat sink 22 held in an electrically insulated manner. At the ao On the side of their cold contact point, the thermocouples 20 have a common one consisting of rods Heat sink 22 on. Within that formed by the thermocouples 20 and the mass 21 In the shaft there 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 protrude both into the interior of the line 23 and into the shaft. In the interior of the combustion air line 23, a fuel line 26 is arranged, which is in height the outlet openings 24 has combustion nozzles 27, the channels of which the combustion air line 23 to in enforce the vicinity of the outlet openings 24 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 get here from above through lines 26 and 23 into the generator. Each thermocouple is doing this directly heated. 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 line 23 and the fuel in line 26. In the bottom of the housing 28, the surrounds the generator as a whole, there are openings not shown here through which the cooling air for the Heat sink 22 can enter.

Durch die besondere Anordnung der Wärmequelle und die Führung der Verbrennungsluft im Abgasstrom kann unter Ausnutzung der Schornstein-Wir- · kun'g 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 routing of the combustion air in the exhaust gas flow the use of fans can be dispensed with by taking advantage of the chimney effect so that the generator does not need any electrical power.

Claims

Patent claims:

1. Thermoelectric generator with a housing, in the interior of which one with fossil Fuels operated heat source, the combustion air through an at least partially Routing 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 that in a known manner, the heat source (10), the thermocouples (11) and the Heat sinks (12) are arranged vertically one above the other in this order that the heat sinks (12) arranged in a cooling air shaft (13) surrounded by heat insulating walls (14, 15) are that the cooling air duct (13) is adjacent to an exhaust duct (18) for discharging the exhaust gases and that the exhaust duct (18) from a duct (19) for supplying the combustion air is surrounded, the walls of which are thermally conductive with the exhaust duct (18).

2. Thermoelectric generator with a housing, in whose interior one with fossil Fuels operated heat source, the combustion air through an at least partially Guiding the combustion air supply line is preheated in the area of the exhaust gas flow, and Semiconductor thermocouples, which 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 are arranged in the walls of the shaft one above the other and next to one another that their hot contact points to the inside and their cold contact points point outwards, characterized in that within the Shaft in a known manner a combustion air line (23) with approximately at the level of individual thermocouples lying outlet openings (24) is arranged and that inside the combustion air line (23) is also provided with a fuel line (26) in a known manner is, which has at the level of the outlet openings (24) combustion nozzles (27), the channels of which Pass through the combustion air line (23) radially almost to the outlet openings (24).

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

1 sheet of drawings