DE1764348B1

DE1764348B1 - Thermoelektrischer generator

Info

Publication number: DE1764348B1
Application number: DE19681764348
Authority: DE
Inventors: Karl Dipl-Ing Maass
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1968-05-21
Filing date: 1968-05-21
Publication date: 1971-06-03
Also published as: FR1600707A; NL6903091A; GB1253558A

Description

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Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Bei allen beschriebenen thermoelektrischen Gene-Generator mit Kühleinrichtung, bei dem Thermo- ratoren richtet sich die Auswahl der Thermoelemente elemente auf der Unterseite einer etwa rechteckigen nach den Temperaturverhältnissen an den Meßstel-Trägerplatte angebracht sind, die auf ihrer Oberseite len. Hierzu sind z. B. thermoelektrische Halbleiter parallel zu den Stirnseiten angeordnete, auf der Trä- 5 bekannt, die für einen Temperaturbereich von 300 gerplatte senkrecht stehende und über diese seitlich bis 1300⁰K geeignet sind. Aus einer in dem Taschenhinausragende Kühlfahnen trägt. buch Dr. K. J. E u 1 e r »Energie-Direktumwandlung«

In der französischen Patentschrift 1 502 535 ist aus dem Jahre 1967 auf Seite 79 dargestellten Tabelle

ein thermoelektrischer Generator mit Kühleinrich- geht hervor, daß der optimale Temperaturbereich tung beschrieben, der z. B. zur Messung von Auspuff- io von z. B. GeSi-Thermoelementen zwischen 800 und

temperaturen an Kraftfahrzeugen verwendet werden 1200° K und von FeSi₂-Thermoelementen zwischen

kann. Dieser Generator weist eine rechteckige Grund- 500 und 800° K liegt.

platte auf, auf der Thermoelemente angeordnet sind. Es sind auch solche thermoelektrischen Generato-

Die Grundplatte ist zwischen einem mit Kühlrippen ren mit bei untenliegender heißer Seite in einer versehenen Kühlkörper und einem Schellenkörper 15 waagerechten Ebene angeordneten Thermoelementen

angeordnet, wobei der Schellenkörper zur Aufnahme bekannt. Bei ihnen können die auf der Trägerplatte

eines Auspuffrohres dienen kann. stehenden Kühlfahnen zur Vergrößerung der Kühl-

Es ist auch ein in der deutschen Patentschrift wirkung beiderseits über die Trägerplatte hinaus-1 126 426 beschriebenes, als Flaschenkühler ver- ragen. Trotzdem bleibt die erzielte Kühlwirkung und wendbares Kleinkühlgerät bekannt, bei dem der zu 20 damit die erzeugbare elektrische Leistung bei Luftkühlende Raum von einem Topf, ζ. Β. aus Kupfer, kühlung begrenzt.

gebildet wird. Der Topf ist thermisch von der Um- Es ist zur Verbesserung der Kühlung andererseits gebung mittels eines wärmeisolierenden Mantels, auch bekannt, eine direkte Flüssigkeitskühlung mit z. B. aus einem Schaumstoff auf Polystrol basis, iso- auf der Trägerplatte gebildetem Kühlmittelkanal vorliert. Das Kühlgerät weist eine Peltierkühlanordnung 25 zusehen. Diese Kühlungsart ist jedoch an das Vorauf, deren kalte Kontaktstellen mit dem zu kühlen- handensein eines Kühlmittels gebunden, worin beiden Raum und deren warme Kontaktstellen mit spielsweise bei militärischer Verwendung eine uneinem Wärmespeicher in thermischem Kontakt ste- zulässige Einschränkung liegt.

hen. Die während des Betriebes an den warmen Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe Kontaktstellen entstehende Wärme wird zu einem 30 zugrunde, einen sowohl für Luft- als auch für Flüs-

wesentlichen Teil mittels eines Wärmeübertragungs- sigkeitskühlung geeigneten Generator zu schaffen,

körpers, ζ. B. mittels an sich bekannter Kühlfahnen, Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge-

in dem Wärmespeicher angesammelt. In dem Topf löst, daß zwei gleiche, lösbar verbundene Teil-Gene-

kann eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, vorhanden sein, ratoren mit jeweils etwa rechteckiger Trägerplatte die eine gute Wärmeübertragung auf einen zu küh- 35 vorgesehen sind, daß jeweils die Kühlfahnen auf einer

lenden Gegenstand sichert. Außerdem kann der Topf Trägerplatte diese auf nur einer Längsseite um weni-

mit einem Deckel verschlossen werden. ger als die Breite einer Stirnseite der Trägerplatte

Weiterhin ist es bekannt, in der Wand eines kasten- überragen und daß jeweils auf der anderen Längsförmigen Wärmeaustauschers eines thermoelektri- seite und den Stirnseiten der Trägerplatte senkrecht sehen Generators verschließbare Kühlmittel-An- 40 auf dieser stehende Wandungen vorgesehen sind, derschlußstutzen anzuordnen. In der USA.-Patentschrift art, daß bei aneinanderliegenden, mit Wandungen 3 269 875 ist z. B. ein thermoelektrischer Generator versehenen Längsseiten der Trägerplatten der beiden mit Wärmewandler beschrieben, bei dem der Wärme- Teil-Generatoren die Kühlfahnen jeweils über die austauscher einen verschließbaren Einlaßstutzen und außenliegenden Längsseiten hinausragen, während einen Austrittsstutzen aufweist. Durch den Einlaß- 45 bei aneinanderliegenden, nicht mit Wandungen verstutzen gelangt die Kühlflüssigkeit in den Wärme- sehenen Längsseiten die Wandungen und die Trägeraustauscher, während der nicht verschließbare Aus- platten einen nach oben offenen Kasten bilden, in trittsstutzen dazu dient, den Aufbau eines Überdruk- den die Kühlfahnen unter Bildung eines mäanderkes innerhalb des Gehäuses zu verhindern, wodurch förmigen Kühlmittelkanals abwechselnd von den eine Zerstörung des Wärmeaustauschers verhindert 50 Wandungen der beiden außenliegenden Längsseiten werden kann. her hineinragen.

In der deutschen Patentschrift 873 265 ist ein ther- " Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die Teilmoelektrischer Generator zur Messung von niedrigen Generatoren eines thermoelektrischen Generators Temperaturen beschrieben, der insbesondere eine aus symmetrisch aufgebaut sind. Hierdurch ist es mögeiner Mehrzahl von Einzelelementen bestehende Bat- 55 lieh, die Teil-Generatoren in einer Serienfertigung terie aufweist und bei dem die Verbindungsstelle bzw. schnell und billig herzustellen. Mehrere Teil-Genera- -stellen, z. B. Lötstellen, von einem die Wärme lei- toren können ohne Schwierigkeiten zu einer langen tenden Stoff umgeben sind. Die Einzelelemente kön- Generatorkette zusammengesetzt werden. Außerdem nen zwischen konzentrisch zueinander liegenden lassen sich einzelne, reparaturbedürftige Teil-Gene-Ringkörpern aus wärmeleitendem Stoff radial oder 60 ratoren einfach und schnell gegen neue Teil-Generaspeichenartig angeordnet sein. Der innere Ringkörper toren auswechseln.

ist durch ein Rohr getragen, in welchem das Wärme Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß

ausstrahlende Medium enthalten ist oder strömt. Es auf Grund der verschiedenen Kühlungsmöglichkei-

ist auch möglich, mehrere je aus zwei konzentrischen ten, wie z. B. Luft-, Wasser- eder Durchlaufwasser-

Ringkörpern und radial angeordneten Einzelelemen- 65 kühlung, eine Leistungssteigerung der Thermo-

ten bestehende Einheiten unter Zwischenschaltung elemente erreicht wird. Für die Anwendung des ther-

von Isolierscheiben axial, auf einem gemeinsamen moelektrischen Generators können die verschieden-

Rohr, aneinanderzureihen. artigsten Heizquellen, wie z. B. der heiße Motor oder

Claims

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die heiße Auspuffanlage eines Panzerfahrzeuges, ver- 104,105,106, 204, 205, 206 zusammen mit den Trä-

wendet werden. gerplatten 102,202 einen nach oben offenen Kasten,

Die erfindungsgemäß vorgesehenen Teil-Generato- der mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden kann

ren gestatten also zwei verschiedene räumliche Korn- und in den die Kühlfahnen 103, 203 beider Teil-

binationen. Einerseits kann ein Kasten gebildet wer- 5 Generatoren 100,200 von den Wänden 104,204 der

den, der zur Aufnahme einer Kühlflüssigkeit geeignet außenliegenden Längsseiten her hineinragen,

ist, während sich bei der zweiten Kombination eine Kühlfahnen 103,203 und stirnseitige Wände 105,

Gesamtanordnung ähnlich dem üblichen Aufbau für 206,106, 205 bilden zusammen einen mäanderförmi-

Luftkühlung ergibt. gen Kühlmittelkanal. Dazu tragen zwei Maßnahmen

Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeich- io bei. Erstens bleibt zwischen den Enden der Kühlnungen erläutert. fahnen 103 des Teil-Generators 100 und der Wand

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Generators bei 204 des zweiten Teil-Generators 200 ein freier Raum Luftkühlung ist in den F i g. 1 und 2 dargestellt. Der — entsprechend auch zwischen den Enden der Kühl-Generator ist aus zwei gleichen Teil-Generatoren fahnen 203 und der Wand 104 —, weil die Kühl- 100, 200 zusammengesetzt. Die senkrecht stehenden 15 fahnen 103,203 die sie jeweils tragende Trägerplatte Teile des Teil-Generators 200 sind in der Draufsicht 102,202 nur um weniger als die Breite einer Stirnin F i g. 2 zur besseren Unterscheidung geschwärzt seite überragen. Zweitens ist der Mittelpunkt des jedargestellt. Bei jedem Teil-Generator 100,200 sind weils von den Kühlfahnen eines Teil-Generators geThermoelemente 101,201 auf der Unterseite einer bildeten Kühlfahnenpakets gegenüber der Mitte des rechteckigen Trägerplatte 102,202 angebracht, wan- so von den stirnseitigen Wandungen 105,106, 205, 206 rend auf deren Oberseite seitlich über sie hinaus- begrenzten Raumes um ein Viertel des Abstandes ragende Kühlfahnen 103, 203 stehen. Die Kühl- zweier Kühlfahnen 103,203 dieses Teil-Generators fahnen 103,203 ragen jedoch jeweils nur über eine 100,200 in Richtung der Längsseiten der Träger-Längsseite der entsprechenden Trägerplatte 102,202 platten 102,202 versetzt.

hinaus, während auf der anderen Längsseite eine as Die Schnappverschlüsse 107,207 dienen auch hier

senkrechte Wand 104,204 und auf den Stirnseiten nach einer Drehung um 180° um eine waagerechte

Wände 105,106 bzw.205,206 vorgesehen sind. Die Achse aus der in den Fig. 1,2 gezeigten Lage zur

beiden so gebildeten Teil-Generatoren 100,200 sind lösbaren Verbindung der Teil-Generatoren 100,200.

bei aneinanderliegenden, mit den Wänden 104,204 Dabei verhindern die jetzt nicht sichtbaren Nuten

versehenen Längsseiten der Trägerplatten 102,202 30 108, 208 und Zähne 109, 209 eine Verschiebung der

mittels Schnappverschlüssen 107,207 lösbar verbun- Teil-Generatoren 100, 200 gegeneinander, während

den. Dabei verhindern auf diesen Längsseiten vor- die Nuten 113,213 und Zähne 114,214, die sich jetzt

gesehene, nicht sichtbare Zähne und Nuten eine Ver- auf den außenliegenden Längsseiten befinden, als

Schiebung der Teil-Generatoren 100,200 gegenein- Auflage auf der Innenkante einer Heizvorrichtung

ander. Auch auf den außenliegenden Längsseiten 35 dienen können.

sind Nuten 108,208 und Zähne 109,209 gleicher Art An Hand der Fig. 4 ist jetzt die Rolle der Dich-

vorgesehen. Diese können als Auflage auf der Innen- tungen 112,212 erkennbar. Sie dienen als Dichtmittel

kante der öffnung einer Heizvorrichtung dienen. für die bei Bildung eines Kastens aneinanderstoßen-

Um alle Thermoelemente in untereinander glei- den Flächen der Trägerplatten 102,202 und der chem Maß zu kühlen, ist es vorteilhaft, Abstände und 40 stirnseitigen Wandungen 105,206,106, 205 der Teil-Anbringung der Kühlfahnen so zu wählen, daß jede Generatoren 100,200.

Kühlfahne senkrecht über je einem Thermoelement Während allein durch Füllen des gebildeten Kaangeordnet ist. Dazu wird vorgeschlagen, daß die stens mit stehendem Wasser als Kühlflüssigkeit Thermoelemente jedes Teil-Generators in zu den gegenüber reiner Luftkühlung bereits ein Leistungs-Stirnseiten der Trägerplatten 101 und 102 parallelen 45 gewinn von 40 bis 50 % erreicht wird, ergibt sich Reihen angeordnet sind, daß jeder Teil-Generator eine weitere Erhöhung um etwa 80 bis 100% bei eine gleiche Anzahl von Thermoelementen-Reihen einer Durchlaufkühlung, indem über die Anschluß- und Kühlfahnen aufweist und daß jeweils eine Kühl- stutzen 107,207 Wasser zu- und abgeführt wird. In fahne senkrecht über einer Thermoelementen-Reihe diesem Fall kann es günstig sein, den gebildeten Kaangeordnet ist. Im dargestellten Beispiel weisen die 50 sten mittels eines Deckels auf seiner sonst offenen Teil-Generatoren 100,200 jeweils sechs Kühlfahnen Oberseite abzudecken.

103,203 und sechs Reihen von Thermoelementen Die Wahl des Typs der verwendeten Thermo-

101,201 auf. elemente 101,201 hängt von der je nach Heizeinrich-

Im übrigen sind jeweils in einer stirnseitigen Wand tung verschiedenen höchsten Temperatur ab. Bei

106,206 eines Teil-Generators 100,200 ein mittels 55 Gas- und Benzinbrennern können etwa 950° C er-

eines Ventils 110, 210 verschließbarer Kühlmittel- reicht werden; bei dieser Temperatur eignen sich am

Anschlußstutzen 111, 211 und weiter Dichtungen besten GeSi-Thermoelemente. Soll der Generator je-

112,212 vorgesehen, deren Rolle im folgenden noch doch im Interesse einer vielseitigen Anwendung bei

erläutert wird. etwa 500° C optimal arbeiten, so sind FeSi,-Thermo-

Den Aufbau des erfindungsgemäßen Generators 60 elemente vorzusehen. Diese lassen es beispielsweise bei Flüssigkeitskühlung zeigen die F i g. 3 und 4. In zu, den Generator bereits durch Aufsetzen auf einen diesem Fall liegen die nicht mit Wandungen ver- zur Raumbeheizung üblichen ölofen zu betreiben,
sehenen Längsseiten der beiden Teil-Generatoren _p ...
100, 200 aneinander, was durch Zusammensetzen ratentansprucne:
nach deren Drehung aus der in Fig. 2 dargestellten 65 1. Thermoelektrischer Generator mit Kühlein-Lage um jeweils 180° in der Zeichenebene möglich richtung, bei dem Thermoelemente auf der Unterist. Dadurch bilden die auf den jetzt außenliegenden seite einer etwa rechteckigen Trägerplatte anLängsseiten und den Stirnseiten vorgesehenen Wände gebracht sind, die auf ihrer Oberseite parallel zu

den Stirnseiten angeordnete, auf der Trägerplatte senkrecht stehende und über diese seitlich hinausragende Kühlfahnen trägt, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche, lösbar verbundene Teil-Generatoren (100,200) mit jeweils etwa rechteckiger Trägerplatte (102,202) vorgesehen sind, daß jeweils die Kühlfahnen (103,

203) auf einer Trägerplatte (102,202) diese auf nur einer Längsseite um weniger als die Breite einer Stirnseite der Trägerplatte (102,202) überragen und daß jeweils auf der anderen Längsseite und den Stirnseiten der Trägerplatte (102, 202) senkrecht auf dieser stehende Wandungen (104,105,106, 204, 205, 206) vorgesehen sind, derart, daß bei aneinanderliegenden, mit Wandüngen (104,204) versehenen Längsseiten der Trägerplatten (102,202) der beiden Teil-Generatoren (100, 200) die Kühlfahnen (103, 203) jeweils über die außenliegenden Längsseiten hinausragen, während bei aneinanderliegenden, nicht mit Wandungen versehenen Längsseiten die Wandungen (104,105,106, 204, 205, 206) und die Trägerplatten (102,202) einen nach oben offenen Kasten bilden, in den die Kühlfahnen (103,203) unter Bildung eines mäanderförmigen Kühlmittelkanals abwechselnd von den Wandungen (104,

204) der beiden außenliegenden Längsseiten her hineinragen.
2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Längsseiten jeder Trägerplatte (102, 202) Nuten (108,113, 208, 213) und Zähne (109,114, 209,214) als Mittel zur Sicherung gegen Verschiebung der beiden Trägerplatten (202, 102) gegeneinander vorgesehen sind.
3. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (101,102) jedes Teil-Generators (100,200) in zu den Stirnseiten der Trägerplatten (102,202) parallelen Reihen angeordnet sind, daß jeder Teil-Generator (100,200) eine gleiche Anzahl von Thermoelementen-Reihen und Kühlfahnen (103, 203) aufweist und daß jeweils eine Kühlfahne (103, 203) senkrecht über eine Thermoelementen-Reihe angeordnet ist.
4. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in einer stirnseitigen Wand (106, 206) eines Teil-Generators (100, 200) Kühlmittel-Anschlußstutzen (111,211) vorgesehen sind.
5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel-Anschlußstutzen (111,211) verschließbar sind.
6. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelpunkt des jeweils von den Kühlfahnen (103,203) eines Teil-Generators (100, 200) gebildeten Kühlfahnenpakets gegenüber der Mitte des von den stirnseitigen Wandungen (105,106; 205,206) begrenzten Raumes um ein Viertel des Abstandes zweier Kühlfahnen (103,203) dieses Teil-Generators (100,200) in Richtung der Längsseiten der Trägerplatten (102, 202) versetzt ist.
7. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die bei Bildung eines Kastens aneinanderstoßenden Flächen der Trägerplatten (102,202) und der stirnseitigen Wandungen (105, 206; 106, 205) jedes Teil-Generators (100,200) Dichtmittel (112,212) aufweisen.
8. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der bei aneinanderliegenden, nicht mit Wandungen versehenen Längsseiten der Trägerplatten (102,202) gebildete Kasten mittels eines Deckels auf seiner Oberseite abgedeckt ist.
9. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente GeSi-Thermoelemente sind.
10. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente FeSi₂-Thermoelemente sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen