DE19942739A1

DE19942739A1 - Wärmewandler

Info

Publication number: DE19942739A1
Application number: DE1999142739
Authority: DE
Inventors: Michael Jensen
Original assignee: Individual
Current assignee: JENSEN, MICHAEL JOHANNES, 44388 DORTMUND, DE
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2001-03-08

Abstract

Der Wärmewandler kann Wärme in elektrische Energie umwandeln. Dabei kühlt er ab und nimmt Wärme aus seiner Umgebung auf. DOLLAR A Der Wärmewandler kann zur Stromversorgung im Kleinleistungsbereich (Taschenlampen etc.) sowie auch zur Versorgung von Häusern mit elektrischer Energie eingesetzt werden. Er ist preiswert zu fertigen und hat eine hohe Lebensdauer.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen neuartigen Wärmewandler, also auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie.

Der erfindungsgemäße Wärmewandler gehört zur Gattung der Thermoelemente. Bekannte Thermoelemente zur direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie benötigen, um zu funktionieren, stehts eine Temperaturdifferenz. Diese Temperaturdifferenz muß entweder natürlich vorhanden oder künstlich, durch den Einsatz von Energie, erzeugt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Wärmeenergie, oberhalb einer bestimmten Temperatur, unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln.

Diese Aufgabe wird mit Hilfe des erfindungsmäßigen Wärmewandlers gelöst. Die erfindungsgemäße Wärmewandlereinrichtung besteht aus einer Anzahl von miniaturisierten Druckwandlern auf piezoelektrischer Basis in einer ringförmig-zylindrischen Ausführung, die in axialer Richtung durch Stauchung deformiert werden. Diese piezoelektrischen Wandlerelemente sind vorzugsweise aus einer piezoelektrischen Keramik (z. B. Bleicirkoniumtitanat) herzustellen. Aber auch andere piezoelektrische Materialien können zum Einsatz kommen.

Als Gleichrichter könnten sowohl Kupferoxydulgleichrichter aufgrund ihrer niedrigen Schleusenspannung wie auch Gleichrichter auf Siliciumbasis eingesetzt werden. Durch die Reihen- oder Parallelschaltung der Gleichstromzwischen kreise der piezoelektrischen Wandlerelemente lassen sich entweder höhere Spannungen und kleinere Ströme, bzw. kleinere Spannungen mit größeren Strömen erzeugen. Jeder dieser Druckwandler wird mit einem Gleichrichter, vorzugsweise mit einem Brückengleichrichter, in der Weise leitend verbunden, daß die, durch das thermische Rauschen verursachte elektrische Ausgangsspannung, sich als pulsierender Gleichstrom in einen Gleichspannungszwischenkreis entläd. Durch die Parallelschaltung, z. B. eines Kondensators, kann so, mit einem oder mehreren Druckwandlerelementen; eine konstante Gleichspannung erzeugt werden.

Ursächlich für die Funktion der erfindungsmäßigen Einrichtung ist der physikalische Tatbestand, daß der Druck, den ein Gas auf ein Flächenelement ausübt, unregelmäßigen Schwankungen unterliegt. Diese Schwankungen sind im Mikrometerbereich und unter Normalbedingungen (0°C, 1 bar) bereits im Bereich von mehren Prozent vom Absolutdruck und werden um so stärker, um so kleiner das Flächenelement relativ zum absoluten Gasdruck und um so höher die Gastemperatur ist. Der angewandte Effekt ist auch ursächlich für die Brownsche Molekularbewegung und wird in den Fachbüchern zur statistischen Thermodynamik in seinen quantitativen Aspekten abgehandelt. Die elektrische Energie, die am Wandlerelement abgegriffen wird, ist äquivalent der thermischen Energie, die das Gas durch die Auslenkung der Membrane abgibt.

Die Möglichkeit der direkten Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie ist ein großer technologischer Durchbruch und kann einen wesentlichen Beitrag zur Lösung des globalen Energieproblems sein.

Insgesamt bietet die Erfindung damit den Vorteil, Wärmeenergie, oberhalb eines von der Bauart abhängigen Temperaturniveaus, unmittelbar in elektrische Energie umwandeln zu können.

Ebenso kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch zum Kühlen unter gleichzeitigem Gewinn von elektrischer Energie genutzt werden.

Die Einsatzmöglichkeiten für die Erfindung sind sehr vielfältig. Grundsätzlich eignet sich die Erfindung vor allem für eine Versorgung mit elektrischer Energie in allen Bereichen, in denen bisher Akkumulatoren oder herkömmliche Batterien eingesetzt werden.

Aber auch an einen Einsatz als Energiequelle zur dezentralen Energieversorgung ist zu denken.

Da der Wärmewandler keine bewegten Teile hat, ist eine lange Lebensdauer der Wandlerelemente wahrscheinlich.

Ausführungsbeispiel eines Wärmewandlers

Die beiliegende Zeichnung zeigt das Ausführungsbeispiel eines Wärmewandlers.

Nummer 1 kennzeichnet eine Metallplatte, auf der eine Blei cirkoniumtitanatkeramik aufgesintert wurde. Die Dicke der Keramikschicht soll hier 2 mm betragen. Auf der Keramikoberfläche wurde eine Platinschicht aufgebracht.

Nummer 2 kennzeichnet einen Keramikauftrag.

Nummer 3 kennzeichnet einen ringförmigen Graben von 1 Mikrometer Breite, der mittels eines Lasers hergestellt wurde.

Nummer 4 kennzeichnet eine Bohrung mit dem Durchmesser von 1 Mikrometer, die ebenfalls mittels eines Lasers hergestellt wurde.

Nummer 5 kennzeichnet das ringförmig-zylindrische Wandlerelement aus piezoelektrischer Keramik (PCT).

Nummer 6 kennzeichnet eine sehr dünne Edelstahlmembrane, welche im Vakuum mit der Keramik (Nr. 5) gasdicht verklebt wurde.

Als Elektroden dienen einmal die Trägerplatte (Nr. 1) und die Edelstahlmembrane (Nr. 6). Diese Elektroden sind elektrisch leitend mit dem Wechselstromeingang eines Brückengleichrichters verbunden. Die Gleichstromausgänge des Gleichrichters sind mit einem Kondensator verbunden, der durch den pulsierenden Gleichstrom aufgeladen wird. An ihm kann dann eine Gleichspannung abgegriffen werden. Es lassen sich beliebig viele Gleichrichterausgänge paralell, bzw. in Reihe schalten.

Funktionsweise

In dem ringförmigen Spalt (Nr. 3) und in der Bohrung (Nr. 4) des Wandlerelementes muß ein Vakuum herrschen. Aufgrund der kleinen Membranfläche des Wandlerelementes, schwankt der Gasdruck bereits in erheblicher Weise. Dieser wechselnde Gasdruck auf der Membrane führt zu eine veränderlichen Stauchung des ringförmigen, zylindrischen piezoelektrischen Wandlerelementes. An den Stirnflächen des Wandlerelementes entsteht so eine unregelmäßige Wechselspannung. Die Druckschwankungen sind in ihrer Amplitude um so höher, um so kleiner die Membranfläche gestaltet wird und um so höher die Temperatur des Gases ist. Alle Maßangaben beziehen sich auf eine Ausführungsmöglichkeit des Wandlerelementes.

Claims

1. Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, gekennzeichnet durch ein ringförmiges zylindrisches Wandlerelement (Nr. 5) mit einem Durchmesser unter 0,1 mm aus einem piezoelektrischen Material, das von einer Membrane (Nr. 6) gasdicht überspannt ist, wobei die angrenzenden Hohlräume (Nr. 3 u. Nr. 4) um das Wandlerelement evakuiert sind und der, aufgrund der kleinen Abmessungen der Membranfläche schwankende Gasdruck das ringförmig zylindrische Wandlerelement (Nr. 5) durch eine stetig veränderliche Stauchung deformiert und hierdurch an den Stirnflächen des Wandlerelementes (Nr. 5) eine Wechselspannung abgegriffen werden kann, die entweder direkt, in einem ohmschen Widerstand wieder in Wärme umgewandelt werden kann, oder mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet und bei Parallelschaltung eines Kondensators im Gleichspannungsteil in eine Gleichspannung umgewandelt wird, die als Spannungsquelle für einen elektrischen Verbraucher zur Verfügung steht.