DE19833180C2

DE19833180C2 - Fertigungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten

Info

Publication number: DE19833180C2
Application number: DE19833180A
Authority: DE
Inventors: Hans K Seibold
Original assignee: Hans K Seibold
Current assignee: RIEDLINGER, CHRISTIAN OLAF, DE
Priority date: 1998-07-23
Filing date: 1998-07-23
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: DE19833180A1

Description

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung hocheffektiver Energiewandlerketten.

Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, um die Effektivität von thermoelektrischen Materialien dadurch zu verbessern, dass den Schenkeln zumindest bereichsweise über ihre Länge elektrisch gut leitfähige Materialien parallelgeschaltet werden, so dass der Innenwiderstand der entsprechenden Thermogeneratoranordnung entscheidend abgesenkt wird (WO 89/07836 A1; DE 19 01 442 A; Landecker, K., Some Further Remarks on the Improvement of Peltier Junctions for Thermoelectric Cooling, in: Energy Conversion, Vol. 14, S. 21-33, Pergamon Press 1974).

Insbesondere sind in älteren Anmeldungen bereits Lösungen zur Erhöhung der Effektivität von flächenhaften bzw. drahtförmigen thermoelektrischen Materialien durch Aufbringung von fingerartigen oder streifenförmigen Strukturen bzw. das Einlegen von Drahtseelen aus jeweils elektrisch gut leitfähigem Material angegeben worden (WO 98/35392 A1, DE 197 04 944 A1), wobei jedoch keine Aussagen über die Verarbeitung derartiger Drähte zu Energiewandleranordnungen oder dergleichen getroffen wurden.

Da die von einem einzelnen Thermoelement erzeugte Thermokraft gering ist, macht es sich erforderlich, viele davon nach wirtschaftlicher Herstellungsweise als lange Ketten in Reihe zu schalten. Hierzu werden gemäß des Standes der Technik zB nach WO 80/01438 A1 und DE 10 27 749 B Thermoelementleiter aus unterschiedlichen Materialien kreuzweise übereinander gelegt, an den Kreuzungsstellen zu einer Maschendrahtzaun ähnlichen Anordnung verknüpft und anschließend in einzelne Thermoketten aufgetrennt. Die so verbundenen Thermoketten weisen jedoch einen relativ hohen Innenwiderstand auf und sind daher wenig effektiv.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Verknüpfung einer kostengünstigen und einfachen Herstellungstechnik für thermoelektrische Energiewandlerketten mit einer hohen Effektivität derselben.

Die vorgenannte Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Es wird auf die bekannte Drahtzaun-Herstellungstechnik zur Thermokettenherstellung zurückgegriffen. Während bei dem bekannten Verfahren jedoch gleichartige Einzeldrähte verwendet werden, kommen nun aufgrund der Erfindung wechselweise je ein p- und n-Drahtbündel mit innenliegendem Effektivitätsverstärker zur Verwendung, wodurch die thermoelektrische Effektivität vergrößert wird.

Durch diese Kombination - bekannte Fertigungsverfahren mit neuartigen p- und n- Leiterdrähten - entsteht eine Vielzahl automatisch verketteter p/n-Thermoelemente und die seitherigen aufwendigen Verfahren zur notwendigen Hintereinanderschaltung von Einzelelementen entfallen. Damit ist auch die fertigungstechnische Voraussetzung für ein breites Einsatzspektrum der neuen thermoelektrischen Energiewandlerketten geschaffen.

Voraussetzung und neu bei diesem Verfahren ist weiterhin, dass neben der Anpassungsmöglichkeit an die Einsatzbedingungen auch die Umsetzung der für einen guten Wirkungsgrad der Thermoelemente notwendigen Kriterien möglich ist. Diese sind:

1. Intensiver und in langer Ausführung möglicher p/n-Kontaktbereich in der Heißzone durch Schweiß-/Walztechnik, ohne dass die innenliegenden Leiterdrähte sich kontaktieren.
2. Gute elektrische Verbindung der verketteten und auch hier mit langen Schenkeln möglichen Elemente im Kaltbereich durch Tauchverzinnung/-verkupferung der innenliegenden Leiter. Der p/n-Kontaktbereich ist hier sehr klein ausgeführt,
3. Gute Wärmespeicherung/Isolierung der Montage-/Befestigungsfläche
4. Ausnutzung der Sammellinsenwirkung beim Einsatz im Solarbereich
5. Einfache Methode zur Aufeinanderlegung/Zusammenfügung mehrerer Ketten, d. h. möglichst viele Elemente auf engem Raum

Die nachfolgenden Abbildungen zeigen in schematischer Darstellung die Umsetzung der bekannten Fertigungsverfahren für die Herstellung von automatisch verketteten Thermoelementen.

Fig. 1 zeigt das Ergebnis der bekannten Drahtzauntechnik unter wechselseitiger Verwendung von p- und n-Drahtbündeln (1, 2) und wie durch Auftrennen (4) automatisch hintereinandergeschaltete Thermoelemente entstehen bzw. eine ganze Energiewandlerkette entsteht. Schweiß- bzw. Walztechnik an der p/n-Kontaktfläche (3) im Heißbereich (5) ist leicht möglich. Eine Tauchverzinnung/-verkupferung an der p/n- Stelle (4) im Kaltbereich (6) ist leicht machbar. Die Kriterien 1 und 2 werden damit erfüllt. Die Montage-/Befestigungsfläche (10) isoliert den Kaltbereich vom Heißbereich. Kriterium 3 ist erfüllbar. Damit ist diese Kette z. B. in einem Abgasgenerator einsetzbar.

Fig. 2 und 3 zeigen, wie diese Thermoelementkette durch einfaches rechtwinkliges Abknicken am Ende der p/n-Kontaktfläche (3) in einem Solarmodul unter Ausnutzung der Sammellinsenwirkung (11) Verwendung findet. Die Kriterien 1-4 sind erfüllt.

Fig. 4 zeigt die in der WO 98/35392 A1 festgehaltenen effektivitätsverstärkenden innenliegenden Leiter (7, 8) im p/n-Drahtbündel (1, 2). Die leichte Realisierung von Kriterium 5, betreffend die Zusammenfügbarkeit/Aufeinanderlegung mehrerer Ketten auf engem Raum, wurde nicht dargestellt.

Mit dieser neuartigen Kombination der bekannten Drahtzauntechnik mit den neuen hocheffektiven p/n-Drahtbündeln entstehen einfache und doch hocheffiziente thermoelektrische Energiewandlerketten und einige 100 Elemente lassen sich z. B. im Abgasgenerator leicht auf einer Fläche von 1 dm² unterbringen.

Claims

1. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten, wobei eine Schar aus parallel angeordneten drahtförmigen Elementen (1, 2) aus p-leitendem Material und eine Schar aus parallel angeordneten drahtförmigen Elementen (1, 2) aus n-leitendem Material einen Winkel bildend übereinandergelegt und an allen Kreuzungsstellen so verbunden werden, dass in Querrichtung verlaufend Reihen von langgestreckten Verbindungsstellen (3, 4) entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstellen (4) jeder zweiten Reihe in Querrichtung so durchtrennt werden, dass dort kurze Verbindungsstellen (4) verbleiben und miteinander an den langen Verbindungsstellen (3) verbundene Ketten aus in Reihe geschalteten, alternierend p- bzw. n-leitenden drahtförmigen Thermoelementschenkeln entstehen, wobei den Reihen der kurzen Verbindungsstellen (4) ein Kaltbereich (6) und den Reihen der langen Verbindungsstellen (3) ein Heißbereich (5) zugeordnet ist, wobei die verwendeten drahtförmigen Elemente Drahtbündel (1, 2) mit darin jeweils eingelegtem hochleitfähigem Leiter (7, 8) sind, wobei die langen Verbindungsstellen (3) zur besseren Kontaktierung der unterschiedlichen Thermoelementmaterialien gewalzt oder geschweißt sind und wobei die in die Drahtbündel (1, 2) eingelegten Leiter (7, 8) benachbarter p- bzw. n-Drahtbündel an den langen Verbindungsstellen (3) einander nicht kontaktieren.

2. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kurzen Verbindungsstellen (4) der p-/n-Drahtbündel (1, 2) zur elektrischen Kontaktierung, die die inliegenden Leiter (7, 8) einschließt, verzinnt oder verkupfert werden.

3. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten nach Ansprüch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelementschenkel nahezu parallel gelegt und derart verdichtet mit einer Isolations- und Befestigungsschicht (10) zwischen Heiß- und Kaltbereich (5, 6) versehen werden.

4. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermoelementschenkel an den Enden der langen Verknüpfungsstellen (3) rechtwinklig abgeknickt und eng aneinander auf einer Isolations- und Befestigungsschicht (10) montiert und unter einer Abdeckung (11) mit Sammellinsenwirkung angeordnet werden.

5. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die langen Verbindungsstellen (3) jeweils in ihrer Mitte (9) durchtrennt werden, so dass unabhängige Ketten aus in Reihe geschalteten, alternierend p- bzw. n-leitenden Thermoelementschenkeln entstehen.

6. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen bzw. der Querschnitt der p-/n-Schenkel (1, 2) im Bereich der Isolations- und Befestigungsschicht (10) zur Reduzierung des Wärmeflusses verringert und die Verbindung von Kalt- und Heissbereich im wesentlichen nur durch die Leiter (7, 8) gebildet wird.

7. Herstellungsverfahren für thermoelektrische Energiewandlerketten nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere gleichartige Energiewandlerketten nebeneinander gelegt und durch Isolations- und Befestigungsschichten getrennt werden, so dass aus ihnen eine flächenförmige Anordnung entsteht.