WO2007022763A2 - Thermoelektrischer generator als elektrische energiequelle - Google Patents

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WO2007022763A2
WO2007022763A2 PCT/DE2006/001468 DE2006001468W WO2007022763A2 WO 2007022763 A2 WO2007022763 A2 WO 2007022763A2 DE 2006001468 W DE2006001468 W DE 2006001468W WO 2007022763 A2 WO2007022763 A2 WO 2007022763A2
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thermoelectric generator
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thermocouples
electrical device
heat
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Ulrich Pfeiffer
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Therm-O-Tech Gmbh
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    • H04R25/60—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles
    • H04R25/602—Mounting or interconnection of hearing aid parts, e.g. inside tips, housings or to ossicles of batteries

Definitions

  • Thermoelectric generator as an electrical energy source
  • thermoelectric generator as an electrical energy source (hereinafter referred to briefly as "thermogenerator") according to the preamble of claim 1;
  • thermoelectric generator as an electrical energy source
  • the invention further relates to uses of a thermoelectric generator as an electrical energy source.
  • Thermoelectric generators have the purpose of generating an electrical voltage with a corresponding thermocouple due to a temperature difference between two different materials. This thermoelectric effect discovered by Seebeck to generate a temperature-dependent thermoelectric voltage can be used to supply electrical and electronic equipment with the necessary electrical voltage.
  • thermoelectric generator for generating electrical energy of the type described can provide a larger number, namely about 500 to 2,000 or even more individual thermocouples, which are combined mechanically and electrically on a substrate body.
  • thermoelectric generator as an electrical energy source of the type described above with high electrical power.
  • thermogenerator mechanically and electrically combine a plurality of thermocouples with each other so that the electrical voltage obtained thereby is sufficient to replace in particular the so-called button cells, but also other batteries.
  • the thermocouples are arranged on a base body.
  • As the base body a silicon Halbleitelememt serve, said base body is substantially solid, that is formed inflexible.
  • This basic element for the thermogenerator can be provided in various mechanical designs, depending on the available space in the electronic device to be supplied.
  • the length of the base body between 5 and 10 mm (but also smaller or larger), the height about 0.5 mm and the thickness at 625 microns.
  • thermocouples On such a base body for the thermal generator, a plurality of thermocouples may be arranged, which may include several thousand or more than 10,000 thermocouples.
  • the length and height of the base body can be adjusted depending on the application.
  • the energy yield is directly dependent on the number of thermocouples and the temperature difference applied to the thermocouples.
  • the mechanical dimensions go there only indirectly by the heat flow in the performance of the thermoformed nerators one. This means that you can adapt to the space requirements of the associated device in the mechanical versions.
  • the base body has a core which defines the heat supply. This heat supply core extends continuously from the top to the bottom. This has the advantage that the heat flow from the core takes place radially outward, and on the other hand has the advantage that several of these base body can be stacked and stacked so that the individual cores define a common passage core for the heat supply.
  • the core is arranged in the central center of the base body, so that the thermocouples are positioned around this central core. This ensures heat radiation towards all radial sides.
  • a rectangular, preferably square base body is used, which for example has a side length of 3.4 mm and a thickness of 625 ⁇ m.
  • the four peripheral sides of the base body thereby define four sets of thermocouples, i. the thermocouples of the base body are grouped into four groups (corresponding to the four side surfaces).
  • each group may comprise 400 thermocouples so that the thermogenerator has a total of 1,600 thermocouples. Overall, this represents a very compact design of the thermal generator.
  • the development according to claim 4 proposes that the combined groups are connected to the thermocouples either to increase the voltage in series or are connected in parallel to increase the current.
  • the base body may consist of silicon.
  • the silicon material also defines the first material of the thermocouple. This means that, starting from this silicon base body, only one further material has to be provided as the second component of the thermocouple.
  • the thermocouples can be integrated with their second material directly in the silicon or else vapor-deposited, sputtered or applied in another method. This can be in the area of the upper side, but also in the interior of the body.
  • the development according to claim 7 proposes that the core is formed by the unchanged, complete silicon of the base body in this core area, while outwardly etched away the silicon and diluted and the thermocouples are made of metal or other material.
  • the core but also made of metal or other thermally conductive and / or heat-storing material for the heat supply.
  • a second variant proposes, as an alternative to the base body made of silicon, that it is a neutral base body.
  • the base body is not part of the thermocouples, but only acts as a pure support for the two materials of the thermocouples.
  • this base body may be a ceramic substrate.
  • thermocouples can be according to the embodiment in claim 10 in the materials for the thermocouples to aluminum, nickel, nickel-chromium or bismuth tellurite or else other metals.
  • aluminum is used when silicon is used as the base body and this silicon defines the other component of the thermocouple.
  • the preferred embodiment according to claim 11 proposes that the base bodies are arranged stacked, wherein the individual cores define a common, continuous core.
  • This is the so-called stack version.
  • the thermo generators are stacked (stacked). The heat transfer occurs in the same direction for all thermo generators of the stack.
  • This stack version is always available where multiple base height (625 ⁇ m) is available and if the required energy can not be supplied by a single thermogenerator. The energy multiplies according to the number of thermogenerators used.
  • the single thermal generators can be stacked in a simple manner, so that the individual cores define a common, continuous Thermogeneratorkem from which takes place in the radial direction of the heat flow.
  • the stack arrangement of the base body can already be embodied as a microelement in the silicon. - A -
  • thermocouples each define a group of such thermocouples.
  • thermocouples in these basic bodies can still be combined into subgroups.
  • the development according to claim 12 proposes now that not only the groups of thermocouples, but also the base body of the stack are connected in parallel either to increase the voltage in series or to increase the current.
  • the one embodiment controls the signal amplification analog. This is characterized by a very low power consumption.
  • the electronics are correspondingly simple.
  • the second embodiment has a digital signal processor which can adjust for noise, noise overlays, and various environmental conditions. This version requires a higher power consumption, so that correspondingly more thermal generators must be used as voltage sources.
  • button cells / batteries are used to operate such hearing aids. This means in practice that the button cells must be replaced weekly to ensure continuous operation of the hearing aid. This is very expensive in the long run and environmentally unacceptable. In Germany alone there are 2.5 million hearing aid users. This extrapolated results in an annual consumption of approximately 250 million button cells / batteries.
  • thermogenerator proposes the use of the above-described thermogenerator in an electrical device carried on or in the human or animal body.
  • thermal generators for example in hearing aids can generally be dispensed button cells / batteries. It is to be remembered that when integrating such thermal generators in hearing aids a novel generation of hearing aids is created, which are designed and oriented to the fact that they can use for the power supply thermal generators of the most general kind.
  • the above-described technical realizations of the thermal generator can be used in the electrical device, in particular hearing aid.
  • the basic principle is that the integrated in the electrical device, in particular hearing aid thermogenerator from the body temperature of the carrier generates the necessary electrical energy.
  • the application of the thermogenerator can be realized both for hearing aids behind the ear and for hearing aids lying in the inner ear.
  • the hearing aids (or other electrical equipment) with the integrated thermal generators are changed so that the heat flow from the body to the circulating air is passed through the thermogenerator.
  • one or more thermal generators can be integrated in the device. These are linked together so that an optimum of power can be generated. A power management ensures the management of the generated energy in the system.
  • the electrical device according to claim 15 may be a hearing aid.
  • the development according to claim 16 represents the so-called réelleohraus arrangement of the hearing aid.
  • the body heat accumulates in front of the inner ear hearing.
  • further heat penetrates the adjacent surfaces of the inner hearing aid into the device.
  • the free area or the averted side of the inner ear hearing device is at room temperature or outside temperature. Due to this temperature difference, the electrical voltage is generated in the thermal generator.
  • the warm side of the hearing aid can be connected with copper foils or other, good heat-conducting materials as a heat storage and drawn to the inner ear, to absorb even more heat from the inner ear can.
  • the cooler side may also be connected to a copper pipe or other material with good thermal conductivity and is thereby guided forward to the outside, where the heat can be released into the air.
  • an isolation and or conductor tracks may be applied in places. With these tracks, the thermal generators are electrically connected to each other, for example, connected in parallel to achieve a higher current.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • the variant in claim 17 proposes a hearing aid, which is worn behind the ear. Again, the compounds or heat transfer materials and electronic connections with copper foils or other conductive material are provided.
  • the warm side is on the inner part, which rests directly on the back ear.
  • the heat is transported from there directly through the thermal generators to the cool side. There, the heat is conducted via corresponding copper foils to the surface and thus brought to the air for cooling.
  • the arrangement of the copper foils can also be used according to the EMC improvement of the hearing aid.
  • thermoelectric generator A second advantage of the thermoelectric generator is the application in a device which itself generates heat, in particular mechanical frictional heat.
  • thermogenerator helps, since the system generates the energy for the data transmission itself by its heat, so that the data can also be transmitted to the processed point by radio. This can be used to monitor bearings in gearboxes and motors. Other rotating parts in the industrial sector can also be monitored for human protection.
  • a heat buffer is preferably arranged in front of the thermogenerator. This means that when an excess supply of heat, this is stored and that gives off in a shortage of heat, the heat buffer heat.
  • thermogenerator The development in claim 20 suggests that a cooling element is provided after the thermogenerator.
  • the purpose of this cooling element is to make the temperature difference as high as possible.
  • a further development according to claim 21 proposes that a buffer is provided. This has a positive effect on the power management in terms of voltage stabilization and necessary energy balance. If no power is needed by the hearing aid, the excess electrical energy can be stored in a buffer (if available). If, on the other hand, the power for the hearing aid is insufficient, the electricity still required can be obtained from the buffer. alternatives In addition or in addition, it is also conceivable to integrate an additional button cell in order to be able to compensate for voltage deficits in this way.
  • the basic idea of the development according to claim 22 is that the materials for supplying and for dissipating heat (for example copper foils) at the same time serve to improve the electromagnetic compatibility of the electrical devices:
  • the advantage is thus that no additional measures for the electromagnetic compatibility made Need to become.
  • the development according to claim 23 proposes a power management for the electrical device.
  • the energy provided by the thermal generators is optimally utilized. This implies that unused, excess electrical energy is stored or that missing electrical energy not supplied by the thermal generators is supplemented by stored energy and the required voltage and current stabilization is ensured.
  • thermoelectric generator as an electrical energy source and the use in a hearing aid behind the ear are described below with reference to the drawings. In these shows:
  • Fig. 1 is a view of the thermal generator
  • Fig. 2 is a stacked version of the thermal generator in Fig. 1;
  • Fig. 3 is a view of a hearing aid worn behind the ear
  • FIG. 4 shows a section through the hearing aid in Fig. 3rd
  • the thermal generator in FIG. 1 has a base body 1 with a square base made of silicon.
  • a core 3 In the middle of a core 3 is provided.
  • This core 3 is preferably formed by the unaltered, complete silicon of the cheese body 1 in this core area (while outwardly the silicon is etched away and thinned and thermocouples 2 made of metal (for example aluminum) or another material are applied).
  • the core 3 may alternatively be made of metal or another thermally conductive and / or heat-sensitive material. consist of chemical material for the heat supply, said core 3 penetrates the entire base body 1 from the top to the bottom.
  • thermocouples 2 are integrated in the silicon, wherein according to the four sides a total of four groups of thermocouples 2 are formed.
  • Each group may have, for example, 400 thermocouples 2, so that the thermal generator has a total of 1,600 thermocouples 2.
  • the size of the base body 1 may have, for example, 3.4 ⁇ 3.4 mm and a thickness of 625 ⁇ m.
  • the heat supply 10 takes place via the core 3. Starting from this core 3, a radial heat flow takes place with a heat removal 11 via the four side surfaces of the base body 1.
  • thermocouples 2 of each group can be connected in series with the thermocouples 2 of the other group for increasing the voltage or connected in parallel to increase the current.
  • Fig. 2 shows the stacked version of the thermal generator in Fig. 1. This means that the base body 1 lie flat against each other, so that the cores 3 in total define a total core, which penetrates the stack.
  • This block design can be done in the construction and connection technology or directly in the clean room, which corresponds to a high density and a low-cost solution.
  • FIGS. 3 and 4 show a field of application of a thermal generator, as described above, in a hearing aid worn behind the ear.
  • This hearing aid has a housing 6.
  • a thermally conductive material 9 for example, a copper foil.
  • a heat-conductive material 9 ' for example, again a copper foil. The heat flow is directed away from the body 8 to the outside, first through the inner heat conductive material 9 passes then through the thermal generator 7 and finally through the outer heat conductive material 9.

Landscapes

  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Thermotherapy And Cooling Therapy Devices (AREA)
  • Hybrid Cells (AREA)
  • Electromechanical Clocks (AREA)

Abstract

Ein thermoelektrischer Generator (7) als elektrische Energiequelle weist mehrere Thermoelemente (2) auf, in welchen aufgrund einer zwischen zwei verschiedenen Materialien auftretenden Temperaturdifferenz jeweils eine elektrische Spännung erzeugt wird und welche auf oder in einem massiven Basiskörper (1) angeordnet und zu einer größeren Einheit mechanisch sowie elektrisch zusammengefaßt sind. Um die Leistungsfähigkeit zu erhöhen und auch eine Stapelbarkeit zu erreichen, weist der Basiskörpers (1) einen durchgehenden Kern (5) für die Wärmezuführung auf, um den herum die Thermoelemente (2) angeordnet sind. Ein Anwendungsgebiet dieses Thermogenerators (7) ist die Verwendung in einem elektrischen Gerät, insbesondere in einem Hörgerät.

Description

Thermoelektrischer Generator als elektrische Energiequelle
Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator als elektrische Energiequelle (im Nachfolgenden kurz als "Thermogenerator" bezeichnet) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ; die Erfindung betrifft ferner Verwendungen eines thermoelektrischen Generators als elektrische Energiequelle.
Thermogeneratoren haben den Zweck, mit einem entsprechenden Thermoelement aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen zwei verschiedenen Materialien eine elektrische Spannung zu erzeugen. Dieser von Seebeck entdeckte thermoeiektrische Effekt zur Erzeugung einer temperaturabhängigen Thermospannung kann verwendet werden, um elektrische sowie elektronische Geräte mit der notwendigen elektrischen Spannung zu versorgen.
Die DE 196 01 616 C2 zeigt eine Stromversorgungseinrichtung für elektrisch betriebene Meßinstrumente. Dieser thermoeiektrische Generator zur Erzeugung elektrischer Energie der eingangs angegebenen Art kann eine größere Anzahl, nämlich etwa 500 bis 2.000 oder noch mehr einzelne Thermoelemente vorsehen, welche auf einem Substratkörper mechanisch sowie elektrisch zusammengefaßt sind.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, einen thermoelektrischen Generator als elektrische Energiequelle der eingangs angegebenen Art mit hoher elektrischer Leistung zu schaffen.
Die technische L ö s u n g ist gekennzeichnet durch die Merkmale im Kennzeichen des Anspruchs 1.
Die Grundidee des erfindungsgemäßen Thermogenerators besteht darin, eine Mehrzahl von Thermoelementen derart miteinander mechanisch sowie elektrisch zu kombinieren, daß die dadurch gewonnene elektrische Spannung ausreicht, um insbesondere die sogenannten Knopfzellen, aber auch andere Batterien zu ersetzen. Dabei sind die Thermoelemente auf einem Basiskörper angeordnet. Als Basiskörper kann ein Silizium-Halbleiterelememt dienen, wobei dieser Basiskörper im wesentlichen massiv, d. h. unflexibel ausgebildet ist. Dieses Grundelement für den Thermogenerator kann in verschiedenen mechanischen Ausführungen vorgesehen sein, je nach verfügbarem Raum in dem zu versorgenden elektronischen Gerät. So kann die Länge des Basiskörpers zwischen 5 und 10 mm (aber auch kleiner oder größer) liegen, die Höhe etwa bei 0,5 mm und die Dicke bei 625 μm. Auf einem derartigen Basiskörper für den Thermogenerator können eine Vielzahl von Thermoelementen angeordnet sein, welche mehrere 1.000 oder mehr als 10.000 Thermoelemente beinhalten können. Die Länge und die Höhe des Basiskörpers kann je nach Anwendung angepaßt werden. Die Energieausbeute ist direkt von der Anzahl der Thermoelemente und dem Temperaturunterschied, welcher an den Thermoelementen anliegt, abhängig.' Die mechanischen Abmessungen gehen dabei nur indirekt durch den Wärmefluß in die Leistungsfähigkeit des Thermoge- nerators ein. Dies bedeutet, daß man sich bei den mechanischen Ausführungen an den Platzbedarf des zugeordneten Gerätes anpassen kann. Der Basiskörper weist einen Kern auf, welcher die Wärmezuführung definiert. Dieser Wärmezuführungskern erstreckt sich durchgehend von der Oberseite bis zur Unterseite. Dies hat zum einen den Vorteil, daß der Wärmefluß ausgehend vom Kern radial nach außen hin erfolgt, und zum anderen den Vorteil, daß mehrere dieser Basiskörper aufeinandergelegt und damit gestapelt werden können, so daß die Einzelkerne einen gemeinsam Durchgangskern für die Wärmezuführung definieren.
Vorzugsweise ist gemäß der Weiterbildung in Anspruch 2 der Kern in der zentralen Mitte des Basiskörpers angeordnet, so daß die Thermoelemente um diesen zentralen Kern herum positioniert sind. Dadurch ist eine Wärmeabstrahlung nach allen radialen Seiten hin gewährleistet.
Vorzugsweise wird dabei gemäß Anspruch 3 von einem rechteckigen, vorzugsweise quadratischen Basiskörper ausgegangen, welcher beispielsweise eine Seitenlänge von jeweils 3,4 mm und eine Dicke von 625 μm besitzt. Die vier Umfangsseiten des Basiskörpers definieren dabei vier Gruppen von Thermoelementen, d.h. die Thermoelemente des Basiskörpers sind zu vier Gruppen (entsprechend den vier Seitenflächen) zusammengefaßt. Beispielsweise kann jede Gruppe 400 Thermoelemente aufweisen, so daß der Thermogenerator insgesamt 1.600 Thermoelemente besitzt. Dies stellt insgesamt eine sehr kompakte Gestaltung des Thermogenerators dar.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 4 schlägt vor, daß die zusammengefaßten Gruppen mit den Thermoelementen entweder zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sind oder zur Stromerhöhung parallel geschaltet sind.
In einer ersten Variante gemäß Anspruch 5 kann der Basiskörper aus Silizium bestehen. Die Besonderheit bei dieser Variante besteht darin, daß das Silizium-Material zugleich das erste Material des Thermoelements definiert. Dies bedeutet, daß ausgehend von diesem Silizium- Basiskörper lediglich noch ein weiteres Material als zweite Komponente des Thermoelements vorgesehen sein muß. Dabei können gemäß Anspruch 6 die Thermoelemente mit ihrem zweiten Material direkt im Silizium integriert oder aber aufgedampft, aufgesputtert oder in einem anderen Verfahren aufgebracht sein. Dies kann im Bereich der Oberseite, jedoch auch im Innern des Körpers sein.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 schlägt vor, daß der Kern durch das unveränderte, komplette Silizium des Basiskörpers in diesem Kernbereich gebildet ist, während nach außen hin das Silizum weggeätzt und verdünnt ist und die Thermoelemente aus Metall oder einem anderen Material aufgebracht sind.
Alternativ hierzu kann gemäß Anspruch 8 der Kern aber auch aus Metall oder einem anderen wärmeleitfähigen und/oder wärmespeichernden Material für die Wärmezuführung bestehen.
Eine zweite Variante schlägt alternativ zu dem Basiskörper aus Silizium vor, daß es sich um einen neutralen Basiskörper handelt. Darunter ist zu verstehen, daß der Basiskörper nicht Teil der Thermoelemente ist, sondern nur als reiner Träger für die beiden Materialien der Thermoelemente fungiert. Beispielsweise kann es sich bei diesem Basiskörper um ein Keramiksubstrat handeln.
Grundsätzlich kann es sich gemäß der Weiterbildung in Anspruch 10 bei den Materialien für die Thermoelemente um Aluminium, Nickel, Nickel-Chrom oder Wismut-Tellurit oder aber auch um andere Metalle handeln. Insbesondere wird Aluminium dann verwendet, wenn als Basiskörper Silizium verwendet wird und dieses Silizium die andere Komponente des Thermoelements definiert.
Die bevorzugte Weiterbildung gemäß Anspruch 11 schlägt vor, daß die Basiskörper gestapelt angeordnet sind, wobei die Einzelkerne einen gemeinsamen, durchgehenden Kern definieren. Dies ist die sogenannte Stapelversion. Bei der Stapelversion werden die Thermoge- neratoren übereinander gelegt (gestapelt). Der Wärmetransport geschieht bei allen Thermo- generatoren des Stapels in gleicher Richtung. Diese Stapelversion bietet sich immer dort an, wenn ein mehrfaches der Grundhöhe (625 μm) verfügbar ist und wenn die notwendige Energie nicht von einem einzigen Thermogenerator geliefert werden kann. Die Energie vervielfacht sich nach der Anzahl der eingesetzten Thermogeneratoren. Die Einzel- Thermogeneratoren können auf einfache Weise gestapelt werden, so daß die Einzelkerne einen gemeinsamen, durchgehenden Thermogeneratorkem definieren, von dem aus in radialer Richtung der Wärmefluß erfolgt. Die Stapelanordnung der Basiskörper kann bereits als Mikroelement im Silizium ausgeführt sein. - A -
Die Basiskörper mit ihren Thermoelementen definieren jeweils eine Gruppe derartiger Thermoelemente. In diesen Basiskörpern können die Thermoelemente darüber hinaus noch zu Untergruppen zusammengefaßt sein. Die Weiterbildung gemäß Anspruch 12 schlägt nunmehr vor, daß nicht nur die Gruppen der Thermoelemente, sondern auch die Basiskörper des Stapels entweder zur Spannungserhöhung in Reihe oder zur Stromerhöhung parallel geschaltet werden.
Nunmehr zu zwei Verwendungen von Thermogeneratoren:
Es gibt prinzipiell zwei Ausführungsarten von Hörgeräten. Die eine Art wird direkt ins Innenohr gesteckt, und die andere Art liegt hinter dem Ohr an. Dabei gibt es wiederum zwei technisch unterschiedliche Ausführungen von Hörgeräten, welche unterschiedliche elektrische Energie benötigen. Die eine Ausführung steuert die Signalverstärkung analog. Diese zeichnet sich durch einen sehr geringen Strombedarf aus. Die Elektronik ist entsprechend einfach. Die zweite Ausführung besitzt einen digitalen Signalprozessor, welcher sich auf Störgeräusche, Geräusch-Überlagerungen und verschiedene Umgebungsbedingungen einstellen kann. Diese Version benötigt einen höheren Stromverbrauch, so daß entsprechend mehr Thermogeneratoren als Spannungsquellen eingesetzt werden müssen.
Grundsätzlich werden zum Betrieb derartiger Hörgeräte Knopfzellen/Batterien verwendet. Dies bedeutet in der Praxis, daß wöchentlich die Knopfzellen ausgetauscht werden müssen, um einen kontinuierlichen Betrieb des Hörgeräts zu gewährleisten. Dies ist auf Dauer sehr teuer und auch umweltmäßig nicht vertretbar. Allein in Deutschland gibt es 2,5 Mio. Hörgerätebenutzer. Dies hochgerechnet ergibt einen jährlichen Verbrauch von ca. 250 Mio. Knopfzellen/Batterien.
Aus diesem Grunde schlägt Anspruch 13 die V e r w e n d u n g des vorbeschriebenen Thermogenerators bei einem am oder im menschlichen oder tierischen Körper getragenen elektrischen Gerät vor.
Durch die Verwendung von Thermogeneratoren beispielsweise in Hörgeräten kann generell auf Knopfzellen/Batterien verzichtet werden. Es ist dabei daran zu denken, daß beim Integrieren derartiger Thermogeneratoren in Hörgeräten eine neuartige Generation von Hörgeräten entsteht, welche dazu konzipiert und darauf ausgerichtet sind, daß sie für die Spannungsversorgung Thermogeneratoren allgemeinster Art verwenden können. Dabei können in dem elektrischen Gerät, insbesondere Hörgerät die vorbeschriebenen technischen Realisierungen des Thermogenerators verwendet werden. Das Grundprinzip besteht darin, daß der im elektrischen Gerät, insbesondere Hörgerät integrierte Thermogenerator aus der Körpertemperatur des Trägers die notwendige elektrische Energie erzeugt. Dabei kann die Anwendung des Thermogenerators sowohl für Hörgeräte hinter dem Ohr als auch für im Innenohr liegende Hörgeräte realisiert werden.
Insgesamt stellt ein großer Anwendungsbereich auch die Funktionsüberwachung des menschlichen Körpers dar, was stationär in Krankenhäusern geschehen kann, aber auch zu Hause. Auch liefert der sportliche Bereich ein sehr breites Anwendungsspektrum, da der Sporttreibende sehr leicht über seine körperliche Leistungsfähigkeit hinausgeht und dabei Gefahr läuft, den Körper dadurch zu schädigen.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 14 werden die Hörgeräte (oder andere elektrische Geräte) mit den integrierten Thermogeneratoren so verändert, daß der Wärmestrom vom Körper zur Umluft über den Thermogenerator geführt wird. Hierzu können ein oder mehrere Thermogeneratoren im Gerät integriert sein. Dieser werden miteinander so verkettet, daß ein Optimum an Strom erzeugt werden kann. Ein Power Management sorgt dabei für die Verwaltung der erzeugten Energie im System.
Wie zuvor bereits mehrfach ausgeführt, kann es sich bei dem elektrischen Gerät gemäß Anspruch 15 um ein Hörgerät handeln.
Die Weiterbildung gemäß Anspruch 16 stellt die sogenannte Innenohrausführung des Hörgerätes dar. Im Innenohr staut sich die Körperwärme vor dem Innenohrhörgerät. Zusätzlich dringt weitere Wärme an den anliegenden Flächen des Innenhörgerätes in das Gerät ein. Die freie Fläche bzw. die abgewendete Seite des Innenohrhörgerätes liegt hingegen auf Raumtemperatur bzw. Außentemperatur. Aufgrund dieser Temperaturdifferenz wird im Thermogenerator die elektrische Spannung erzeugt. Die Warmseite des Hörgerätes kann mit Kupferfolien oder anderen, gut wärmeleitenden Materialien als Wärmespeicher verbunden und zum Innenohr hin gezogen sein, um noch mehr Wärme vom Innenohr aufnehmen zu können. Die kühlere Seite kann ebenfalls mit einem Kupferrohr oder einem anderen, gut wärmeleitenden Material verbunden sein und ist dadurch nach vorne zur Ohraußenseite geführt, wo die Wärme an die Luft abgegeben werden kann. Auf der Innenfolie kann stellenweise eine Isolation und oder Leiterbahnen aufgebracht sein. Mit diesen Leiterbahnen werden die Thermogeneratoren elektrisch miteinander verbunden, beispielsweise parallel geschaltet, um einen höheren Strom zu erzielen. Wird als wärmetransportführendes Material Kupfer verwendet, so kann die Ausführung und Formgestaltung so ausgelegt werden, daß die Kupferfolie zusätzlich die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Hörgerätes wesentlich verbessert wird. Die Variante in Anspruch 17 schlägt ein Hörgerät vor, welches hinter dem Ohr getragen wird. Auch hier sind die Verbindungen bzw. Wärmetransportmaterialien und elektronische Verbindungen mit Kupferfolien bzw. einem anderen leitfähigen Material vorgesehen. Die warme Seite liegt am Innenteil, welches direkt an dem Hinterohr anliegt. Die Wärme wird von dort direkt durch die Thermogeneratoren zur kühlen Seite hin transportiert. Dort wird die Wärme über entsprechende Kupferfolien zur Oberfläche geleitet und somit zur Kühlung an die Luft gebracht. Die Anordnung der Kupferfolien kann auch zur EMV-Verbesserung des Hörgerätes entsprechend verwendet werden.
Eine zweite V e r w e n d u n g des thermoelektrischen Generators schlägt die Anwendung bei einer Vorrichtung vor, welche selbst Wärme erzeugt, insbesondere mechanische Reibungswärme.
Der Hintergrund ist dabei Folgender: Rotierende Teile sind sehr schwer zu überwachen, entweder durch Schleifkontakte, was unzuverlässig ist, oder durch RFID, was jedoch nur ein paar Zentimeter zur auswertenden Stelle überbrückt. Hier hilft der erfindungsgemäße Ther- mogenerator, da das System durch ihre Wärme die Energie für die Datenübertragung selbst erzeugt, so daß die Daten auch zur verarbeiteten Stelle per Funk übertragen werden können. Damit können Lager in Getrieben und Motoren überwacht werden. Auch andere rotierende Teile im Industriebereich können zum Schutz des Menschen überwacht werden.
Gemäß der Weiterbildung in Anspruch 19 ist vor dem Thermogenerator vorzugsweise ein Wärmepuffer angeordnet. Dies bedeutet, daß bei einer Überversorgung mit Wärme diese gespeichert wird und daß bei einer Unterversorgung mit Wärme der Wärmepuffer Wärme abgibt.
Die Weiterbildung in Anspruch 20 schlägt vor, daß nach dem Thermogenerator ein Kühlelement vorgesehen ist. Sinn und Zweck dieses Kühlelements ist es, die Temperaturdifferenz so hoch wie möglich zu gestalten.
Eine weitere Weiterbildung gemäß Anspruch 21 schlägt vor, daß ein Zwischenspeicher vorgesehen ist. Dies wirkt sich positiv auf das Power Management im Sinne einer Spannungsstabilisierung sowie notwendigem Energieausgleich aus. Wenn nämlich vom Hörgerät kein Strom benötigt wird, kann die überschüssige elektrische Energie in einem Zwischenspeicher abgelegt werden (falls vorhanden). Wenn hingegen der Strom für das Hörgerät nicht ausreicht, kann der noch benötigte Strom aus dem Zwischenspeicher bezogen werden. Alterna- tiv oder zusätzlich ist es auch denkbar, eine zusätzliche Knopfzelle zu integrieren, um Spannungsdefizite auf diesem Wege ausgleichen zu können.
Die Grundidee der Weiterbildung gemäß Anspruch 22 besteht darin, daß die Materialien zum Zuführen sowie zum Abführen von Wärme (beispielsweise Kupferfolien) gleichzeitig zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit der elektrischen Geräte dienen: Der Vorteil besteht somit darin, daß keine zusätzlichen Maßnahmen für die elektromagnetische Verträglichkeit getroffen werden müssen.
Schließlich schlägt die Weiterbildung gemäß Anspruch 23 ein Power Management für das elektrische Gerät vor. Darunter ist zu verstehen, daß die von den Thermogeneratoren zur Verfügung gestellte Energie optimal genutzt wird. Dies schließt ein, daß nicht gebrauchte, überschüssige elektrische Energie gespeichert wird oder daß von den Thermogeneratoren nicht gelieferte, fehlende elektrische Energie durch gespeicherte Energie ergänzt und die benötigte Spannungs- und Stromstabilisierung gewährleistet wird.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators als elektrische Energiequelle sowie die Verwendung in einem Hörgerät hinter dem Ohr werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1 ' eine Ansicht des Thermogenerators;
Fig. 2 eine Stapelversion des Thermogenerators in Fig. 1 ;
Fig. 3 eine Ansicht eines Hörgerätes, welches hinter dem Ohr getragen wird;
Fig. 4 einen Schnitt durch das Hörgerät in Fig. 3.
Der Thermogenerator in Fig. 1 weist einen Basiskörper 1 mit quadratischer Grundfläche aus Silizium auf.
In der Mitte ist ein Kern 3 vorgesehen. Dieser Kern 3 wird vorzugsweise durch das unveränderte, komplette Silizium des Bäsiskörpers 1 in diesem Kernbereich gebildet (während nach außen hin das Silizum weggeätzt und verdünnt ist und Thermoelemente 2 aus Metall (beispielsweise Aluminium) oder einem anderen Material aufgebracht sind). Der Kern 3 kann aber auch alternativ aus Metall oder einem anderen wärmeleitfähigen und/oder wärmespei- chemden Material für die Wärmezuführung bestehen, wobei dieser Kern 3 den- gesamten Basiskörper 1 von der Oberseite bis zur Unterseite durchdringt.
Im Bereich der vier Seiten des Basiskörpers 1 sind im Silizium die Thermoelemente 2 integriert, wobei entsprechend den vier Seiten insgesamt vier Gruppen von Thermoelementen 2 gebildet sind. Jede Gruppe kann beispielsweise 400 Thermoelemente 2 aufweisen, so daß der Thermogenerator insgesamt 1.600 Thermoelemente 2 besitzt. Die Größe des Basiskörpers 1 kann beispielsweise 3,4 x 3,4 mm und eine Dicke von 625 μm besitzen.
Die Funktionsweise ist wie folgt:
Die Wärmezuführung 10 erfolgt über den Kern 3. Ausgehend von diesem Kern 3 erfolgt ein radialer Wärmefluß mit einer Wärmeabführung 11 über die vier Seitenflächen des Basiskörpers 1.
Die 400 Thermoelemente 2 einer jeden Gruppe können mit den Thermoelementen 2 der anderen Gruppe zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet oder zur Stromerhöhung parallel geschaltet werden.
Fig. 2 zeigt die Stapelversion des Thermogenerators in Fig. 1. Dies bedeutet, daß die Basiskörper 1 flächig aneinanderliegen, so daß die Kerne 3 insgesamt einen Gesamtkern definieren, welcher den Stapel durchdringt.
Diese Blockausführung kann in der Aufbau- und Verbindungstechnik erfolgen oder direkt im Reinraum, was einer hohen Dichte und einer preiswerten Lösung entspricht.
Fig. 3 und 4 zeigen ein Anwendungsgebiet eines Thermogenerators, wie er zuvor beschrieben worden ist, bei einem Hörgerät, welches hinter dem Ohr getragen wird.
Dieses Hörgerät weist ein Gehäuse 6 auf. In diesem befinden sich beispielsweise drei Thermogeneratoren 7, und zwar in dem Bereich des Gehäuses 6, welcher dem Körper 8 des Tragenden nahekommt. Zwischen den Thermogeneratoren 7 und dem Körper 8 befindet sich in dem Gehäuse 6 noch ein wärmeleitendes Material 9, beispielsweise eine Kupferfolie. Auf der anderen Seite der Thermogeneratoren 7 befindet sich ebenfalls ein wärmeleitendes Material 9', beispielsweise wiederum eine Kupferfolie. Der Wärmefluß ist dabei weg vom Körper 8 nach außen gerichtet, und zwar zunächst durch das innere wärmeleitfähige Material 9 hindurch, anschließend durch den Thermogenerator 7 und schließlich durch das äußere wärmeleitfähige Material 91. Bezuqszeichenliste
1 Basiskörper
2 Thermoelement
3 Kern (für Wärmezuführung)
6 Gehäuse
7 Thermogenerator
8 Körper
9,9' wärmeleitfähiges Material
10 Wärmezuführung
11 Wärmeabführung

Claims

A n s p r ü c h e
1. Thermoelektrischer Generator (7) als elektrische Energiequelle, mit mehreren Thermoelementen (2), in welchen aufgrund einer zwischen zwei verschiedenen Materialien auftretenden Temperaturdifferenz jeweils eine elektrische Spannung erzeugt wird und welche auf oder in einem massiven Basiskörper (1) angeordnet und zu einer größeren Einheit mechanisch sowie elektrisch zusammengefaßt sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Basiskörpers (1) einen durchgehenden Kern (5) für die Wärmezuführung aufweist und daß die Thermoelemente (2) um den Kern (5) herum angeordnet sind.
2. Thermoelektrischer Generator nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (5) in der zentralen Mitte des Basiskörpers (1) angeordnet ist und daß die Thermoelemente (2) um den Umfang herum angeordnet sind.
3. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper (1) eine rechteckige, insbesondere quadratische Grundfläche aufweist und daß im Bereich der vier Umfangsseiten des Basiskörpers (1) die Thermoelemente (2) jeweils zu einer Gruppe zusammengefaßt sind.
4. Thermoelektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (2) zu Gruppen zusammengefaßt sind, wobei die Gruppen entweder zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sind oder zur Stromerhöhung parallel geschaltet sind.
5. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper (1) aus Silizium besteht, wobei das Silizium-Material das erste Material des Thermoelements (2) definiert.
6. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (2) mit ihrem zweiten Material direkt auf dem Silizium im Bereich der Oberseite des Basiskörpers (1) aufgebracht, insbesondere aufgedampft oder aufgesputtert sind oder im Innern des Basiskörpers (1) integriert sind.
7. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) durch das unveränderte, komplette Silizium des Basiskörpers (1) in diesem Kernbereich gebildet ist und daß nach außen hin das Silizum weggeätzt und verdünnt ist und die Thermoelemente (2) mit ihrem zweiten Material aufgebracht sind.
8. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (3) aus Metall oder einem anderen wärmeleitfähigen und/oder wärmespeichernden Material für die Wärmezuführung besteht.
9. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem neutralen Basiskörper (1) die beiden Materialien für die Thermoelemente (2) aufgebracht sind.
10. Thermoelektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Materialien der Thermoelemente (2) Aluminium, Nickel, Nickel-Chrom oder Wismut-Tellurit oder andere Metalle verwendet wird.
11. Thermoelektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Basiskörper (1) gestapelt angeordnet sind, wobei die Einzelkeme einen gemeinsamen, durchgehenden Kern definieren.
12. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Basiskörper (1) mit ihren Thermoelementen (2) zu Gruppen zusammengefaßt sind, wobei die Gruppen entweder zur Spannungserhöhung in Reihe geschaltet sind oder zur Stromerhöhung parallel geschaltet sind.
13. Verwendung des thermoelektrischer Generators (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bei einem am oder im menschlichen oder tierischen Körper (8) getragenen elektrischen Gerät.
14. Elektrisches Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmestrom vom Körper (8) zur Umluft über den thermoelektrischer Generator (7) führbar ist.
15. Elektrisches Gerät nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Gerät ein Hörgerät ist.
16. Elektrisches Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Hörgerät im Innenohr des Patienten angeordnet ist, wobei die wärmere Seite des thermoelektrischer Generators (7) zum Innenohr/oder
Körper (8) hin gerichtet ist.
17. Elektrisches Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Hörgerät hinter dem Ohr des Patienten angeordnet ist, wobei die wärmere Seite des thermoelektrischer Generators (7) zum Körper (8) hin gerichtet ist.
18. Verwendung des thermoelektrischer Generators (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bei einer Wärme, insbesondere mechanische Reibungswärme erzeugenden Vorrichtung.
19. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem thermoelektrischen Generator (7) ein Wärmepuffer vorgesehen ist.
20. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem thermoelektrischen Generator (7) ein Kühlelement vorgesehen ist.
21. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß vom thermoelektrischen Generator (7) erzeugte elektrische Spannung in einem Zwischenspeicher speicherbar ist.
22. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 13 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, daß dem thermoelektrischem Generator (7) Material für die Wärmezuführung sowie für die Wärmeabführung zugeordnet ist und daß dieses Material gleichzeitig zur Verbesserung der elektromagnetischen Verträglichkeit des elektrischen Gerätes vorgesehen ist.
23. Elektrisches Gerät nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß für die elektrische Spannungs- und Stromversorgung ein Power Management vorgesehen ist.
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