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Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoreinheit mit einer
Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, die abwechselnd vom p- und n-Typ und
mittels metallischer Verbindungselemente elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei
die Elemente eine im wesentlichen zylindrische Form haben.
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Thermoelektrische Elemente sind seit langem bekannt und es wurden verschiedene
Versuche unternommen, mittels derartiger Elemente in Verbrennungseinrichtungen
verschiedener Art einen elektrischen Strom in Verbindung mit einer Erzeugung von
Wärme bereitzustellen. Als eines der jüngsten Beispiele kann die US-A-5 450 869 der
Anmelderin erwähnt werden. Da der Strom in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz
zwischen den zwei Seiten der Elemente im Grenzflächenbereich zwischen Elementen
vom p- und n-Typ erzeugt wird, wird eine Bereitstellung einer großen Anzahl von
sehr kleinen Elementen angestrebt, welche in zuverlässiger Art und Weise elektrisch
miteinander verbunden gehalten werden müssen. Früher zog dies den Umgang mit
einer sehr großen Anzahl von kleinen Einzelteilen nach sich, was den Zusammenbau
derartiger thermoelektrischer Generatoren sehr zeitaufwendig macht. Die Erfindung
gemäß der oben erwähnten Veröffentlichung hatte die Hauptaufgabe, eine
wesentliche Verringerung der Anzahl der in dem thermoelektrischen Generator enthaltenen
Teile ohne das Risiko übermäßiger Grenzflächenwiderstände zwischen den Elementen
oder Unterbrechungen zu ermöglichen.
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Jedoch war der Vorschlag gemäß dieser US-Patentbeschreibung nicht für eine
moderne industrielle Massenproduktion geeignet.
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Um eine Massenproduktion derartiger thermoelektrischer Generatoren auf eine von
früheren Ideen deutlich unterschiedliche Art und Weise zu ermöglichen, wird nun
gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie im Anspruch 1 beansprucht wird,
vorgeschlagen, die Verbindungselemente als Platten auszubilden, auf deren einer Seite
zwei im wesentlichen halbzylindrische und parallele Sitze für thermoelektrische
Elemente gebildet sind, wobei die Verbindungselemente dazu eingerichtet sind, mit
einander zugewandten Sitzen auf jeder Seite einer Reihe von Elementen angeordnet
zu werden, wobei gegenüberliegende Platten wechselseitig um eine Sitzbreite in
Längsrichtung der Reihe versetzt sind, um einen kontinuierlichen, sich windenden
seriellen Pfad für den erzeugten Strom zu bilden, und wobei die Platten auf einer
Seite der Reihe von Elementen dazu eingerichtet sind, einer Wärmequelle zugewandt
zu sein, während die Platten auf der gegenüberliegenden Seite einer Wärmesenke
zugewandt sind.
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Die Erfindung ermöglicht nun in einer viel vorteilhafteren Art und Weise als früher
eine Herstellung von aus Generatoreinheiten vom Kassettentyp zusammengesetzten
thermoelektrischen Generatoren, die einfach an verschiedene Anwendungen
angepaßt werden können, nicht nur in Verbindung mit Brennkammern in Standheizungen
für Fahrzeuge, sondern auch bei nahezu allen Gelegenheiten, bei denen eine heiße
Oberfläche verfügbar ist, auf der die erfindungsgemäße Generatoreinheit angeordnet
werden kann.
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Die Erfindung wird im folgenden mit Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
näher erläutert, wobei Fig. 1 den grundlegenden, kassettenartigen Aufbau einer
erfindungsgemäßen Einheit in einer perspektivischen Explosionsansicht zeigt, Fig. 2
einen Längsschnitt durch eine Standheizung zeigt, in der eine Mehrzahl von
kassettenartigen Generatoreinheiten verwendet wird, und Fig. 3 einen Querschnitt der
gleichen Heizung zeigt.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 1,
die abwechselnd vom p- und n-Typ sind, in Reihen angeordnet und durch
Verbindungselemente 2 elektrisch in Reihe geschaltet. In ähnlicher Weise wie bei der
Anordnung gemäß der oben erwähnten US-Patentbeschreibung weisen die aus
beispielsweise Blei und Tellur und einem Dotierungsmittel bestehenden
thermoelektrischen Elemente 1 eine zylindrische Form und eine Länge auf, die ungefähr ihrem
Durchmesser entspricht. In Abhängigkeit der vorgesehenen Verwendung und des
Temperaturintervalls können andere Materialien mit bekannter thermoelektrischer
Eigenschaft gewählt werden. Anders als bei dieser früheren Ausgestaltung sind die
zylindrischen Elemente 1 nicht stehend zwischen Verbindungselementen angebracht,
sondern letztere weisen gemäß der vorliegenden Erfindung die Form einer Platte auf,
auf deren einer Seite zwei im wesentlichen halbzylindrische, parallele Sitze 3 für
thermoelektrische Elemente 1 gebildet sind. Diese Platten 2 sind dazu vorgesehen,
mit einander zugewandten Sitzen 3 auf jeder Seite einer Reihe von Elementen 1
angebracht zu werden, wobei gegenüberliegende Platten 2 wechselseitig um eine
Sitzbreite versetzt sind, um einen kontinuierlichen, sich windenden seriellen Pfad für
den erzeugten Strom zu bilden. Vorzugsweise sind die Platten 2 auf ihrer den Sitzen
3 gegenüberliegenden Seite planar ausgebildet oder anderweitig dazu eingerichtet,
gegen eine vorgesehene heiße Oberfläche zu liegen. Die gegenüberliegenden Platten
2 sind einer geeigneten gekühlten Oberfläche zugewandt oder befinden sich mit ihr
in Eingriff.
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Geeigneterweise sind die Platten 2 auf jeder Seite der Reihe thermoelektrischer
Elemente 1 ähnlich zueinander ausgebildet.
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Wie ferner aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß zwei
derartige Reihen von Elementen 1 mit zugehörigen Verbindungsplatten 2 parallel
zueinander angeordnet und an einem Ende dieses Reihenpaares elektrisch
miteinander verbunden sind, so daß sich die zwei Verbindungsleitungen zu der
thermoelektrischen Generatoreinheit benachbart zueinander am gegenüberliegenden Ende dieses
Reihenpaares befinden.
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Zur Bereitstellung einer kassettenartigen Ausgestaltung der Einheit ist dieses
Elementreihenpaar geeigneterweise in einem trogartigen Halbteil 4a eines umgebenden
und abdichtend verschließbaren Gehäuses 4 angeordnet. Dieses Halbteil 4a ist dazu
vorgesehen, mit seiner Bodenfläche einer heißen Oberfläche, wie z. B. einer
Brennröhre einer Standheizung zugewandt zu sein oder es zu berühren, während das andere
Halbteil 4b des Gehäuses als Kammer für eine geeignete Kühlflüssigkeit, wie z. B.
Wasser, ausgebildet ist.
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Vorzugsweise besteht das Gehäuse 4 aus rostfreiem Stahl und ist in einem derartigen
Fall geeigneterweise um den gesamten Umfangsrand zwischen den zwei Halbteilen
4a, 4b verschweißt. Zwischen den Reihen thermoelektrischer Elemente 1 und dem
unteren Halbteil des Gehäuses ist eine Isolierschicht 8 aus Glimmer oder einem
keramischen Material angeordnet. Zwischen den Reihen von Elementen 1 mit den
zugehörigen Verbindungsplatten 2 und dem oberen Halbteil 4b sind in dieser
Reihenfolge eine elektrisch isolierende Schicht 5 aus Kunststoff, wie z. B. Polyimid, eine
Membranmetallplatte 6, vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, und eine
Druckfedereinrichtung 7 angeordnet, die hier aus zwei parallelen Druckfederprofilen 7a, 7b
besteht, die gegen das andere Halbteil 4b des Gehäuses gedrängt werden. Dieses
andere oder zweite Halbteil 4b des Gehäuses ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist,
vorzugsweise als hohle Kammer für eine geeignete Kühlflüssigkeit, wie z. B. Wasser,
ausgebildet. In dieser Figur sind ebenso geeignete Anschlußstücke 9a, 9b für einen
Kühlflüssigkeitskreislauf dargestellt.
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Aus Fig. 1 ist ebenso ersichtlich, daß die elektrischen Verbindungskabel für die
kassettenartige thermoelektrische Generatoreinheit geeigneterweise so angeordnet