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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoranordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke. Derartige Generatoranordnung werden zur netzunabhängigen Stromversorgung von elektrischen Betriebsmitteln eingesetzt. Insbesondere autonome Feldgeräte in Anlagen der Prozessautomatisierung, die zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet sind, werden bevorzugt mit lokalen Einrichtungen zur ihrer Energieversorgung ausgestattet.
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Derartige Generatoranordnungen weisen mindestens ein thermoelektrisches Wandlerelement auf, das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement mit der Wärmequelle und das zweite Wärmeleitelement mit der Wärmesenke verbunden ist. Für die beste thermische Wärmeübertragung und eine große Wärmestromdichte entlang der thermoelektrischen Generatoranordnung müssen die heiße und die kalte Seite des Wandlerelements in guten thermischen Kontakt mit den zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus stehen.
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Die Wandlerelemente sind mechanisch sehr empfindlich und fragil. Zu ihrem Schutz ist es bekannt, einen oder mehrere Abstandshalter mit geringer Wärmeleitfähigkeit vorzusehen, die dem Wandlerelement zwischen den Wärmeleitelementen parallelgeordnet sind. Typischerweise bestehen die Abstandshalter aus Kunststoff mit geringer Wärmeleitfähigkeit. Allerdings muß die Materialstärke der Abstandshalter mit der Bauhöhe des Wandlerelements korrespondieren.
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Aus der
DE 10 2007 056 150 A1 ist ein Sensorsystem mit einer thermoelektrischen Generatoranordnung bekannt, bei dem das thermoelektrische Wandlerelement unter Zwischenlage eines das Wandlerelement umgebenden Abstandshalters aus thermisch isolierendem Kunststoff mit den Wärmeleitelementen verbunden ist. Diese Konstruktion gewährleistet prinzipiell eine gute thermische Ankopplung des Wandlerelements an die Wärmeleitelemente und einen hohen Wärmefluß durch das thermoelektrische Wandlerelement und somit eine hohe Energieausbeute bei hoher mechanischer Stabilität.
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Nachteilig an dieser Anordnung ist die große Toleranzabhängigkeit dieser Bauweise. Die thermoelektrischen Wandlerelemente weisen herstellungsbedingt unterschiedliche Bauhöhen auf. Bei gleichbleibender Bauhöhe des Abstandshalters erhöht sich der thermische Übergangswiderstand zu den Wärmeleitelementen bei Wandlerelementen geringerer Bauhöhe. Im gleichen Verhältnis sinkt die Energieausbeute der Generatoranordnung. Darüber hinaus weisen Abstandshalter aus Kunststoff erhebliche Bauhöhentoleranzen auf. Die Toleranzen, die erfüllt werden müssen, sind in der Größenordnung von einigen Mikrometern. Wenn die Dicke des Abstandhalters zu klein ist, besteht die Gefahr, dass die Wandlerelemente Druckbelastungen ausgesetzt sind, die schließlich zu ihrer Zerstörung führen können. Wenn die Dicke des Abstandhalters zu groß ist, werden die Wandlerelemente unzureichend thermisch an die Wärmeleitelemente gekoppelt, was zu einen gewaltigen Rückgang der Leistung führen wird.
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Ferner ist aus der
DE 20 107 112 U1 eine Einrichtung zur Energieversorgung von Feldgeräten in verfahrenstechnischen Anlagen bekannt, die mit einer drahtlosen Kommunikationsschnittstelle zum Datenaustausch mit einer zentralen Einrichtung ausgestattet sind, wobei das Feldgerät mit einem thermoelektrischen Wandler ausgestattet ist, mit dem die physikalische Größe Temperaturdifferenz zwischen zwei Medien verschiedener Temperatur in einen elektrischen Strom proportional zur Temperaturdifferenz umgesetzt wird.
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Darüber hinaus ist aus der
WO 2004/082 099 A1 ist bekannt, einen thermoelektrischen Wandler außerhalb der prozessmedienführenden Rohrleitungen so in oder an einem Feldgerät anzuordnen, dass der Wärmestrom in dem Feldgerät zwischen der prozesszugewandten Feldgeräteseite und der prozessabgewandten Feldgeräteseite und/oder der Wärmestrom durch den thermoelektrischen Wandler zwischen der prozesszugewandten Wandlerseite und der prozessabgewandten Wandlerseite durch den thermoelektrischen Wandler in elektrische Energie umwandelbar ist.
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Aus der
US 3,160,568 A ist ein Kernreaktor bestehend aus zwei Halbschalen bekannt, bei dem die Halbschalen durch Federn zusammengehalten werden und deren Anstand zueinander durch in Bahnen geführten Kugeln variabel einstellbar ist. Diese Anordnung dient der Steuerung des Kernreaktors.
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Schließlich ist aus der
US 3,111,432 A eine thermoelektrische Generatoranordnung bekannt, welche Thermoelemente zwischen zueinander beweglichen Platten aufweist. Zum Schutz der Thermoelemente vor mechanischer Beanspruchung sind Wegbegrenzer vorgesehen, die einen minimalen Abstand der zueinander beweglichen Platten vorgeben.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Generatoranordnung, deren thermoelektrischen Wandlerelemente durch Abstandhalter geschützt sind, anzugeben, deren Abstandhalter eine hohe mechanische Stabilität bei möglichst geringer thermischer Leitfähigkeit und geringer Fertigungstoleranz bei geringem Fertigungsaufwand aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einer thermoelektrischen Generatoranordnung mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlerelement aus, das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement mit der Wärmequelle und das zweite Wärmeleitelement mit der Wärmesenke verbunden ist und das durch parallelgeordnete Abstandshalter vor mechanischer Beanspruchung geschützt ist. Jedes thermoelektrische Wandlerelement weist elektrische Anschlüsse zum Abgriff der elektrischen Energie auf.
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Erfindungsgemäß sind mechanisch stabile Kugeln als Abstandhalter vorgesehen.
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Vorteilhafterweise weist die Kugelform eine minimale Kontaktfläche zu den Wärmeleitelementen. Daraus folgt ein minimaler Verlustwärmestrom parallel zu dem mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelement.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Kugeln aus Metall.
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Derartige Metallkugeln weisen eine hohe Formstabilität auf und sind in toleranzarmer Ausführung handelsübliche Massengüter, beispielsweise in der Kugellagerindustrie.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Kugeln aus rostfreiem Stahl.
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Vorteilhafterweise vereinen Kugeln aus rostfreiem Stahl eine hohe Formstabilität in toleranzarmer Ausführung mit einer geringen thermischen Leitfähigkeit.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Kugeln durch einen Halter in ihrer Lage zueinander und zu dem mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelement fixiert.
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Vorteilhafterweise werden mechanische Beanspruchungen des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements durch unbeabsichtigte Lageänderungen der Kugeln vermieden.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Halter eine Platte, die jeweils eine Ausnehmung pro Kugel und jeweils eine Ausnehmung pro thermoelektrischem Wandlerelement aufweist.
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Vorteilhafterweise ist durch das Muster aller Ausnehmungen im Halter die Lage der Kugeln und des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements zueinander fest definiert und während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs unveränderbar.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Halter eine Leiterplatte, die Leiterbahnen aufweist, die mit den elektrischen Anschlüssen des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements verbunden sind. Die Leiterbahnen sind nach außen geführt und weisen Anschlüsse zum Abgriff der elektrischen Energie der thermoelektrischen Generatoranordnung auf.
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Vorteilhafterweise genügt ein Bauelement sowohl zur Lagefixierung der Kugeln und des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements als auch zur Ausleitung der elektrischen Energie der thermoelektrischen Generatoranordnung.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Leiterplatte flexibel ausgebildet.
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Vorteilhafterweise sind die Anschlüsse zur Ableitung der elektrischen Energie variabel an die konkrete Bauform der Generatoranordnung anpassbar. Dabei sind Lötpunkte zum Anschluß von Verbindungsleitungen in unmittelbarer Nähe des Wandlerelements versichtbar. Neben dem geringeren Platzbedarf unmittelbar in der Ebene der Wandlerelemente wird eine höhere Zugfestigkeit der Lötverbindung zum Anschluß der Verbindungsleitungen erreicht.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Wärmeleitelemente unter Zwischenlage der Kugeln, des Halters sowie des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements formschlüssig bei vorgegebener Anpresskraft miteinander verbunden.
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Dadurch wird ein sehr guter thermischer Kontakt und eine hohe Energieausbeute bei begrenzter mechanischer Beanspruchung des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements zu den Wärmeleitelementen erreicht.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
- 1: eine geschnittene Prinzipdarstellung einer Generatoranordnung,
- 2: eine Prinzipdarstellung eines Halters mit Leiterbahnen für eine Mehrzahl von Wandlerelementen.
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In der 1 ist eine erfindungsgemäße Generatoranordnung teilweise geschnitten dargestellt. Die Generatoranordnung besteht im wesentlichen aus mindestens einem thermoelektrischen Wandlerelement 1, das zwischen einem ersten Wärmeleitelement 2 und einem zweiten Wärmeleitelement 3 eingebettet ist. In Abhängigkeit vom Energiebedarf der von der Generatoranordnung gespeisten elektrischen Einrichtung können mehrere Wandlerelemente 1 in einer Ebene benachbart angeordnet sein.
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Das ersten Wärmeleitelement 2 ist mit einer Wärmequelle 4 verbunden, während das zweite Wärmeleitelement 3 mit einer Wärmesenke 5 verbunden ist. Das Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 wird zur Gewinnung elektrischer Energie ausgebeutet.
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Unter der Voraussetzung, dass die Wärmequelle 4 eine höhere Temperatur als die Umgebungsluft aufweist, ist das zweite Wärmeleitelement 3 als Kühlkörper ausgebildet, der von der Umgebungsluft als Wärmesenke 5 umspült wird.
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Die wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente 2 und 3 stehen sich deckungsgleich gegenüber. Dadurch wird ein gleichmäßiger Wärmefluß durch das Wandlerelement 1 erreicht.
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Die Wärmeleitelemente 2 und 3 sind durch Abstandhalter 6, die als Kugeln aus rostfreiem Stahl ausgebildet sind, auf eine vorgegebene Distanz gehalten. Ferner ist zwischen den Wärmeleitelemente 2 und 3 ein Halter 7 angeordnet, der eine Mehrzahl von Ausnehmungen 71 aufweist. Ein Teil der Ausnehmungen 71 hält die Kugeln 6 an ihrer Position auf der wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente 2 und 3. In weiteren Ausnehmungen 71 sind die Wandlerelemente 1 angeordnet.
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In bevorzugter Ausführung der Generatoranordnung sind die Wärmeleitelemente 2 und 3 rotationssymmetrisch mit im Wesentlichen zylindrischer Grundform ausgebildet. Die Wärmeleitelemente 2 und 3 sind über Schrauben 8 miteinander verbunden. Die Schrauben 8 sind mit einer vorgegebenen Anpresskraft angezogen. Zur Unterstützung der Einhaltung der vorgegebenen Anpresskraft sind den Schrauben 8 Federn 9 geigegeben. Die Anpresskraft ist derart vorgegeben, dass ein guter Wärmeübergang im Rahmen der zulässigen mechanischen Beanspruchung der Wandlerelemente 1 erreicht wird.
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In der 2 ist ein Halter 7 in Draufsicht dargestellt. Der Halter 7 ist als Leiterplatte ausgebildet, die ein Muster von Leiterbahnen 72 aufweist. Darüber hinaus weist der Halter 7 eine Mehrzahl von Ausnehmungen 71 auf. Ein Teil der Ausnehmungen 71a ist zur Aufnahme der Kugeln 6 vorgesehen. Weitere Ausnehmungen 71b sind zur Aufnahme der Wandlerelemente 1 vorgesehen. Darüber hinaus kann der Halter 7 weitere Ausnehmungen 71c aufweisen, die zur Durchführung der Schrauben 8 ausgebildet sind. In einer alternativen Ausführungsform sind die Schrauben 8 außerhalb des Halters 7 angeordnet.
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Die Leiterbahnen 72 sind mit den elektrischen Anschlüssen des mindestens einen thermoelektrischen Wandlerelements 1 verbunden. 2 zeigt beispielhaft ein Muster von Leiterbahnen 72 zum Anschluss von drei Wandlerelementen 1, die parallelgeschaltet, also gleiche Pole der Wandlerelemente 1 an dieselbe Leiterbahn 72, sind. Es liegt im Wesen der Erfindung, verschiedene Muster von Leiterbahnen 72 zum Anschluss von einem oder mehreren Wandlerelementen 1 vorzusehen, die einzeln oder in Gruppen in Reihe oder parallel geschaltet sind, wobei die Gruppen für sich in Reihe oder parallel geschaltete Wandlerelemente 1 umfaßt. Die Leiterbahnen 72 sind nach außen geführt und weisen nicht näher dargestellte Anschlüsse zum Abgriff der elektrischen Energie der thermoelektrischen Generatoranordnung auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wandlerelement
- 2,3
- Wärmeleitelement
- 4
- Wärmequelle
- 5
- Wärmesenke
- 6
- Abstandhalter, Kugel
- 7
- Halter
- 71x
- Ausnehmung
- 72
- Leiterbahn
- 8
- Schraube
- 9
- Feder
