WO2013041094A2 - Textiles thermoelektrisches bauelement - Google Patents

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WO2013041094A2
WO2013041094A2 PCT/DE2012/100298 DE2012100298W WO2013041094A2 WO 2013041094 A2 WO2013041094 A2 WO 2013041094A2 DE 2012100298 W DE2012100298 W DE 2012100298W WO 2013041094 A2 WO2013041094 A2 WO 2013041094A2
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/01—Manufacture or treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device

Definitions

  • the invention relates to a textile thermoelectric component, a method for its production and its use.
  • Thermoelectricity is understood to mean the mutual influence of temperature and electricity and their interconversion.
  • a thermoelectric element uses the Seebeck effect, which causes a voltage difference between two different conductors from a temperature difference. Accordingly, using the reciprocal Peltier effect, a voltage can produce a temperature difference between the conductors or semiconductors.
  • the basis for the Peltier effect is the contact of two semiconductors, which have a different energy level (either p- or n-type) of the conduction bands. If a current is conducted through two contact points of these materials, heat energy must be absorbed at one contact point so that the electron can enter the higher energy conduction band of the adjacent semiconductor material. This leads to cooling. At the other contact point, the electron falls from a higher to a lower energy level, so that energy is given off here in the form of heat. Since n-doped semiconductors have a lower energy level of the conduction band, the cooling takes place at the point at which electrons pass from the n-doped semiconductor into the p-doped semiconductor. The technical current flow thus takes place from the p-doped to the n-doped semiconductor. The effect also occurs with metals instead of semiconductors, but is very low here and is almost completely superimposed by the current heat and the high thermal conductivity.
  • thermoelectric effect for energy production in buildings is known and is also proposed in addition to photovoltaic power generation from solar radiation.
  • document EP 2 239 787 A1 describes a solar collector which combines the photovoltaic effect with the thermoelectric seabed effect and, to this end, has an insulation in the interior in order to space the two conductors accordingly. This allows a sufficiently large temperature difference can be maintained without this compensates too quickly on the intermediate layer.
  • the solar collector described can be attached to the facade and roof in a conventional manner. However, it is rigid and has no flexibility. A use in components that must be elastic when installed or in use, is therefore excluded. The solar collector must always be attached to the surface of the building in question. Thus it influences the appearance of the Building. Furthermore, the layer thickness is limited, since only a structure of limited strength on the facade is tolerable.
  • thermoelectric elements are used, which are supplemented by thermoelectric elements.
  • thermoelectric elements usually have a reduced strength, since in the areas in which the thermoelectric element is used, the actual building material, in a roof tile, e.g. Sound, missing. They are also inflexible, so that no use in elastic components is possible.
  • the document DE 10 2009 022 745 A1 expands the usable for the purpose of energy production devices by the building envelope is to be provided at various points with Seebeck elements.
  • the Seebeck elements are glued to the components, for example to the roof underlay, or otherwise integrated into the respective component.
  • initially direct sunlight is required.
  • a separate generator with a corresponding layer structure generally parallelepiped of p- and n-doped semiconductor material with metal bridges for connection and as thermal contact bridges, insulating plates
  • This is accompanied by an impairment of the function and the appearance of the device.
  • the Seebeck element is often only, as in the case of the underlay, to apply to the device. It is therefore true, the thicker the Seebeck- element and thus the entire component is, the higher is the temperature difference, but it also results in a larger footprint.
  • the components are inflexible, at least and in the fatigue endangering manner in the area of Seebeck elements, which can lead to voltage peaks and as a result to cracking.
  • thermoelectric component which has conductor layers provided with cover layers and connecting conductors connecting these conductors.
  • a substrate is provided with nanopores and filled with semiconductor material. This creates nanowires that act as compound semiconductors. This method is very complicated by introducing the nanopores and filling with semiconductor material. In addition, this solution lacks mechanical strength, since the compound semiconductors thus prepared can not be subjected to mechanical stress.
  • the publication JP 2003 209 297 A shows a heat-insulating plate, by the interlaced Alumel- (nickel-based alloy consisting of 95% nickel, 2% magnesium, 2% aluminum and 1% silicon) and chromium wires (nickel-based alloy with chromium) alternately on both sides.
  • the epoxi plate provided as a carrier element is rigid and therefore can not be processed without preparation by means of textile technology. In addition, this makes the electrical contacting of the wire loops difficult, since no mechanical stresses inducing elastic deformation is possible.
  • epoxy plates are very thin, so that only a small temperature difference can be used and the thermoelectric effect correspondingly weak.
  • thermoelectric components are thus known, which either with sufficient insulation between the layers having different temperatures, greatly increase the thickness of the device equipped therewith and are inflexible or have no sufficient insulation while existing flexibility of a three-dimensional knitted fabric , nor the corresponding compressive strength of a device.
  • a function reversal in which a thermal effect is caused by current flow in the same components, is not known. If this is solved, however, results in a very large effort in the production.
  • Another object of the invention is to provide a method by which a textile thermoelectric device according to the invention can be produced with little effort.
  • the object of the invention is furthermore to use the textile thermoelectric device for generating a temperature difference or an electrical voltage.
  • a textile thermoelectric component in which a flat carrier material, which is preferably an electrically, particularly preferably at the same time a thermally insulating flat, flexible carrier material and two spaced apart flat sides, in the manner of coatable by a textile technique process cover threads or a cover electrode, as described in the following paragraph covered and interspersed by a textile technique process connecting threads is interspersed with different thermoelectric material properties that cause the cover threads and the connecting threads together a thermoelectric effect, wherein the first and the second cover threads through the connecting threads by means of a textile technology process are interconnected and form electrically conductive contact points between cover threads and connecting threads, and wherein the first flat side e of the carrier material with the first cover threads, the first contact points and the second flat side of the carrier material with the second cover threads form the second contact points of the textile thermoelectric component.
  • a flat carrier material which is preferably an electrically, particularly preferably at the same time a thermally insulating flat, flexible carrier material and two spaced apart flat sides,
  • cover threads are arranged on the surface of the carrier material and visible there from the outside.
  • the cover threads are, for example, embedded in the surface or by a surface layer covered by the carrier material.
  • a cover electrode made of a flat material, for example a metal or semiconductor foil, or a planar coating with the corresponding electrical or thermoelectric properties is applied.
  • the conductive regions are preferably arranged in strips, wherein insulating regions are arranged between the strips.
  • the connecting threads are to be introduced into the conductive regions during the production of the textile thermoelectric component according to the invention.
  • the strip-shaped conductive regions are included in the context of the invention by the term "cover threads".
  • the connecting threads create a connection between the first cover threads and the second cover threads through the support material, whereby an electrical connection is formed.
  • Different thermoelectric properties namely the Seebeck constant, but above all the Peltier constant, the electrically active constituents of covering threads and connecting threads lead to the thermoelectric effects essential to the invention.
  • the cover threads and the connecting threads are electrically conductive.
  • different metals are used, which cause at least a significant Seebeck bin, to a small extent, a Peltier effect. If it does not matter on the latter, this embodiment offers the particular advantage of a simple and inexpensive construction and an unobtrusive production.
  • copper wires as cover threads.
  • Other suitable metal pairings are known, such as Ni / NiCr.
  • the cover threads are electrically conductive and the connecting threads are electrically semiconducting and first electrically semiconductive connecting threads have an n-doping and second electrically semiconductive connecting threads have a p-doping.
  • the combination of a metallic conductor with a semiconductor which is alternately p-doped and n-doped in series leads, as is known, to a very effective thermoelectric element which can be used both as a Peltier element and as a Seebeck element. This makes a particularly universal use possible.
  • connection of a first cover thread with a second cover thread via a connecting thread which is p-doped, for example, has p-doped silicon.
  • the second cover thread is in turn connected to another first cover thread via a connecting thread which is p-doped, for example p-doped silicon as Semiconductor has.
  • the structure of the textile thermoelectric device continues by connecting all or a plurality of individual elements in series.
  • Further advantageous material uses are known, for example Bi: Sb: Zn, compounds of the V. and VI. Main group at room temperature, elements of main group V and their alloys at low temperatures or PbTe and SiGe alloys at high temperatures.
  • Particularly suitable for the connecting threads are materials with a high Seebeck bin, a high electrical conductivity and a low thermal conductivity. If a voltage is applied between the first and the last cover thread of the series connection, then a heat flow is created in the connecting threads with the result that, in the case of a certain polarity, the first cover threads on the first side of the textile thermoelectric component heat up in the sense of the Peltier effect and the second cover threads on the second side to cool. When changing the polarity, the effect is reversed accordingly.
  • the Seebeck bulk can be used if there is a temperature difference between the first and the second side of the textile thermoelectric device.
  • a voltage is removable from the contacts of the first and the last cover thread of a partial element or of the entire component.
  • a carrier material flexible web-like fiber material
  • these include insulating materials such as rock wool or glass wool.
  • textile-technologically produced products such as fabrics in random orientation, such as felt or needle felt, come into question.
  • a carrier material has the particular advantage that it brings home the basic mechanical properties such as tensile or compressive strength and such demands on the cover threads or the connecting threads only to a limited extent or not at all.
  • the selection of materials focuses in particular on the electrical properties, which are thus optimized with minimal use of materials to a high degree. It is particularly favorable if the carrier material can be acted upon by a mechanical bias.
  • the introduced tie yarns partially maintain this tension against the tendency to expand the backing material.
  • the joints between cover and connecting threads are firmly pulled together and creates a secure electrical connection.
  • it is provided in an alternative embodiment, in addition to stabilize the electrical connection, for example by soldering or welding. If it is an insulating material, its heat-insulating properties are not or only slightly affected by the introduction of suitable covering and connecting threads. The later use as insulating material can therefore be done in the usual way.
  • the cover threads and / or the connecting threads at least partially have an electrically conductive coating of a textile thread core and the electrically semiconducting connecting threads at least partially an electrically semiconductive coating of a thread core.
  • the cover threads and / or the connecting threads are particularly cost-effective, since a low-cost thread core, for example made of a conventional polymer material, can be used.
  • this filament core is coated with a suitable material that embodies the desired properties.
  • the required amount of material can be based solely on the requirements that are to be placed on the electrical properties.
  • the mechanical properties are essentially determined by the filament core.
  • the coating is provided on the outer shell of a full thread core or a hollow thread core with an annular cross-section, which need not necessarily be a circular ring provided.
  • an inner jacket, the inner cylinder wall of a thread core is provided with a cavity in the interior, with electrically conductive or electrically semiconductive coating.
  • the thread core has a cylindrical or other shaped, for example, triangular or rectangular cross-section. Special advantages bring these coated threads especially when they are introduced as connecting threads in a heat-insulating substrate. Then by the filament core, which is a poor conductor of heat, the heat conduction through the insulating minimized and the insulation effect is not or only minimally affected by the metallic components.
  • the coated inner sheath of a hollow thread core also protects the inner coating against external influences.
  • a hollow thread core also makes it possible to establish mechanical and thermal parameters, for example the moment of resistance of the thread cross section or the size of the thermally active surface.
  • Particular advantages result from an embodiment in which between each two a closed thermoelectric element forming regions of the textile structure of electrically conductive and / or electrically semiconductive threads on the substrate a Separation area is provided so that the two areas of the textile structure are electrically isolated from each other. This makes it possible to switch such a number of thermoelectric individual elements either in series or in parallel, that a desired output voltage or an increased current intensity can be tapped at this sub-element.
  • thermoelectric device When operating the textile thermoelectric device as Peltier element, it is also possible to control individual areas of the device individually and to temper accordingly independently of the other elements. Even when operating as Seebeck element, it may be useful, for example, for the purpose of signal extraction and processing, the voltage or change over time in individual elements and thus separate parts of the component separately.
  • regions of the textile structure of electrically conductive and / or electrically semiconductive filaments have electrical connections and can therefore be electrically connected to one another or to an external circuit.
  • the terminals allow the driving of the subregions or the tapping of voltages for obtaining output signals.
  • the electrical connections are each connected to at least one cover thread, in an alternative embodiment also to a plurality of cover threads.
  • the connection is provided with a connecting thread.
  • the object of the invention is further achieved by a method for producing a textile thermoelectric component with the method steps inserting a flat, preferably also thermally insulating, carrier material in a textile-technical device, applying the cover threads by means of a textile-technical process or the cover electrode to the first and the second Flat side of the support material and preferably in the same operation introducing the connecting threads by means of a textile technology process in the sheet-like support material in such a way that such an electrically conductive connection between the cover threads and the connecting threads is formed, that a thermoelectric effect is caused.
  • the textile thermoelectric component is thus produced essentially by textile technology methods, such as knitting, knitting, sewing or the like, which are adapted to the requirements to be taken into account in the production of the textile thermoelectric component. This includes on the one hand that these methods are applied to a carrier material, preferably a fiber mat, and a
  • Three-dimensional structure can be generated. Furthermore, the use of correspondingly sensitive covering threads and / or connecting threads presupposes a technology adapted to that extent that the threads are neither damaged on their surface nor otherwise damaged, for example overstretched.
  • the flat carrier material is reversibly compressible during the textile processing. This gives the connecting threads in the sheet-like support material after its discharge, wherein the two flat sides again strive from each other, a mechanical tension, by which they are pulled against the cover threads or the cover electrode. This creates a permanent, secure contact with the contact areas, without the need for further measures for contacting, in particular when used in climatically unproblematic areas such as indoor spaces.
  • the electrically conductive connection between the cover threads and the connecting threads is mechanically and electrically stabilized in their electrical conductivity. This is particularly preferably done by heating the first and / or the second surface of the device, whereby the threads are welded together or soldered with the addition of a solder. In the particularly preferred embodiment of the method, only one of the conductors, preferably the cover yarn, is heated instead of the surface of the component. This is done in an advantageous development by a current flow through the cover thread. Further possibilities for mechanical, electrically conductive connection between cover threads and connecting threads are provided. For example, a chemical activation or a photoactivation of an impregnation of the threads is used, whereby it also comes to the compound.
  • a further solution of the object according to the invention lies in the use of a textile thermoelectric component in which, as a result of a temperature difference between the first and the second side of the textile thermoelectric component, a voltage is tapped between two terminals.
  • a textile thermoelectric component in which, as a result of a temperature difference between the first and the second side of the textile thermoelectric component, a voltage is tapped between two terminals.
  • renewable energy source is opened up.
  • larger areas must be equipped with the building element. Then, in addition to photovoltaic applications, power generation is possible regardless of solar radiation and even in the dark and low outside temperatures.
  • thermoelectric component is inserted into the building and generates a voltage in addition to its isolation function.
  • very large areas are equipped with the thermoelectric device, resulting in a correspondingly high capacity for power generation.
  • a temperature gradient results in the cold season in such a way that low outside temperatures are confronted with a comparatively high internal temperature.
  • a sunlit façade or a sunlit roof will heat up to a temperature gradient where the high temperature outside and a comparatively low temperature inside the building prevail.
  • a voltage can be tapped off above the textile thermoelectric component, which then functions as the Seebeck element.
  • an insulating material for piping is used as a carrier material and thus the textile thermoelectric device used on the pipeline, which generates a voltage in addition to its isolation function.
  • power generation is possible as soon as there is a temperature gradient between the surface of the pipe and the environment. This is the case, for example, with a heating pipe that is inside has a high temperature.
  • other fields of use such as a hot water pipe or a cooling line provided.
  • thermoelectric device when the textile thermoelectric device is optionally used as Seebeck element for voltage generation and Peltier element for generating a temperature difference, the sides of the low and high temperature changes as needed become. These come the o.g. Isolation materials in question, through which a building can be cooled by taking advantage of the Peltier effect.
  • a heating of the insulation material to prevent condensation in the wall structure, which can occur in unfavorable temperature-humidity conditions and especially in connection with construction defects and causes corresponding damage to the building. These would then be recognizable and subsequently avoidable.
  • the textile thermoelectric component is used as an equipment element for interiors and contributes to the room air conditioning.
  • a textile carrier material such as a felt or a decorative fabric, which is equipped with the textile structure of cover threads and connecting threads appropriately equipped as a textile thermoelectric device is used.
  • the curtain having a textile thermoelectric component can also be subjected to a voltage and contribute to the room air conditioning.
  • the Peltier element In the warm season and at high interior temperatures, the Peltier element is operated in such a way that the cold side points to the room. This results in a "cold radiation", which creates a pleasant sensation even in higher air temperature in the room and mitigates the disturbing influence of high room temperature.
  • the room-facing side of the designed as a curtain The heat radiation results in a comfortable feeling for the people in the room, without the need for an excessively high air temperature, thus saving on heating costs and the entire temperature control system based on the textile thermoelectric device very fast reaction, which would not be approachable with a conventional heating or air conditioning, the air in the room or heated air cools.
  • other internals are provided in the space for receiving a thermoelectric device. These are, for example, insulated wallpaper or elements of the interior, in particular in wood paneling or corresponding imitations
  • the object according to the invention is likewise achieved by the use of a textile thermoelectric component, in which the electrical voltages generated by the individual regions of the thermoelectric component are detected separately and supplied to signal processing. This is preferably done by separate signal contacts. This results in particular advantages in the monitoring of the building, the detection of accidents and emerging structural damage.
  • 1 shows a schematic sectional side view of the structure of an embodiment of a textile thermoelectric device according to the invention with semiconducting connecting threads
  • 2 shows schematically in plan view an embodiment of a textile thermoelectric component according to the invention with semiconducting connecting threads in modular
  • FIG. 3a shows a schematic sectional side view of the construction of an embodiment of a cover thread or a connecting thread, as used in embodiments of a textile thermoelectric component according to the invention
  • Fig. 3b schematically in a sectional side view of the structure of an embodiment of a cover thread or a connecting thread as a hollow thread, as in
  • Embodiments of a textile thermoelectric device according to the invention is used;
  • Fig. 4 schematically in a sectional side view of the wall structure when using a
  • FIG. 5 is a schematic sectional side view of the wall structure when using an embodiment of a textile thermoelectric device according to the invention in the interior;
  • FIG. 6 shows a schematic sectional side view of the construction of an embodiment of a textile thermoelectric component according to the invention for use in a pipe insulation.
  • Fig. 1 shows schematically in a sectional side view the structure of an embodiment of a textile thermoelectric device 1 according to the invention with semiconductive connecting threads 5, 6.
  • the first cover threads 3 are on the first side 7 of the device 1, in the figure shown on the top, and the second Covering threads 4 on the second side 8, the underside of the carrier material 2.
  • the cover threads 3, 4 are embedded in the surfaces of the carrier material 2. In alternative embodiments, this is deviated from, for example, by the covering threads 3, 4 projecting beyond the surfaces or being embedded so far into the surface that they are no longer directly visible from the outside.
  • connection between the first cover threads 3 and the second cover threads 4 required for the thermoelectric effect by a suitable material, in the preferred embodiment semiconductor material, is realized by the connecting threads 5, 6.
  • a suitable material in the preferred embodiment semiconductor material
  • the connection is made from the upper, copper-made cover thread 3 to the lower cover thread 4, which also consists of copper, by a first connecting thread 5, which consists of an n-doped silicon material.
  • the connecting thread 5 is connected to the upper cover thread 3 in the first joint A and to the lower cover thread 4 at the point B.
  • connection from the lower cover thread 4 (second connection point B) to the upper cover thread 3 '(third connection point C) is made by a second connecting thread 6, which consists of a p-doped silicon material.
  • a voltage between the contact points X and Y is to be applied. Then, the current flows through the junctions A, B, C, and D, with the result that the contact pads of the first side 7 (the connection points A, C) heat up and the contact points of the second side 8 (the connection points B, C and the contact points X, Y) cool.
  • the polarity of the voltage applied at the contact points X, Y is reversed, the effect is correspondingly reversed and the first side 7 cools down, while the second side 8 heats up.
  • thermoelectric component 1 is operated as a Seebeck element, a temperature difference between the first side 7 and the second side 8 would mean that a voltage could be tapped off at the contact points X, Y.
  • the device 1 is used in this case, the power generation.
  • the cover threads 3, 4 are to be mounted on the sides 7, 8. Alternatively, attaching the cover threads 3, 4 also takes place in the surface of the sides 7, 8 or in the region of the surface. Furthermore, as shown in FIG. 1, a connecting thread 5 is inserted between a first cover thread 3 and a second cover thread 4 in the substrate 2. In the preferred manner of production, this is a continuous connecting thread 5, which is endless in the textile-technical sense and which is introduced continuously between the two cover threads 3, 4. This is done by a textile technology method according to the prior art, for example by sewing. It is particularly favorable if both the cover threads 3, 4 and connecting threads 5, 6 run out of the textile machine in one operation. In this case, the cover threads 3, 4 are placed on the flat sides of the carrier material 2 and sewn immediately afterwards with the connecting threads 5, 6.
  • a continuous connecting thread 5 is also provided, alternatively introduce individual pieces of thread.
  • the connecting thread 5 is welded to the first cover thread 3 and the second cover thread 4, which takes place by heating from the outside or by heating the cover thread 3, 4.
  • Alternative ways of attachment are provided, such as by an activatable, electrically conductive adhesive.
  • the second connecting thread 6 With regard to the introduction and fastening technology, the same applies to the second connecting thread 6 as that carried out for the first connecting thread 5.
  • sewing is provided as a textile-technical method for introducing the textile thermoelectric structure into the substrate 2, but alternatively also other technologies based on spacer stitching, spacer effect or spacer weaving and capable of producing a three-dimensional structure.
  • the corresponding textile technical device is equipped with the material web of the carrier material 2 and then the cover threads 3, 4 and the connecting threads 5, 6 are introduced and connected together accordingly.
  • FIG. 1 shows schematically in a plan view an embodiment of a textile thermoelectric component 1 according to the invention with semiconductive connecting threads 5, 6 in a modular construction and with electrical contacts 9, 10.
  • FIG. 2 shows that textile thermoelectric structures introduced into the carrier material 2 penetrate them in limited regions 23, 24, while these regions are limited by boundary regions 21 and separating regions 25, which are kept free of a textile thermoelectric structure.
  • locally limited thermoelectric elements can be generated, which can optionally be interconnected or operated individually. Shown in Fig. 2 is an interconnection of several such subregions, wherein four subregions 23, 24 are electrically connected by the inner contacts 9, while on the external contacts 10, the entire series circuit can be connected to a consumer or to a voltage source.
  • a Seebeck element a higher voltage can be tapped.
  • the component 1 is operated as a Peltier element, the entire surface of the component 1 can be cooled or heated.
  • the separation additionally offers the possibility of switching the separate regions 23, 24 individually.
  • This initially allows a sensory effect, since the temperature gradients in the device 1 can be located very accurately. This makes it possible to distinguish, for example, whether such a gradient originates, for example, from the solar radiation when all partial elements, the partial regions 23, 24 have the same gradient, or, for example, from a heated cable, if only one of the partial regions 23, 24 has the gradient , The same applies if, for example, occurring moisture, be it through a leaky pipe or as a result of condensed air humidity, is perceived as cooling.
  • particularly advantageous effects for example, when used in a building, in connection with the efficient building management and high security against accidents, fires or emerging structural damage can be noted.
  • FIG. 3a shows schematically in a sectional side view the structure of embodiments of a cover thread 3, 4 or of a connecting thread 5, 6, as it is preferably used in embodiments of a textile thermoelectric component according to the invention.
  • the upper and lower cover threads 3, 4 are designed with correspondingly larger area for heat dissipation to the environment.
  • the thread cores are coated as cover threads 3, 4 but only with a coating 12 of the material which is required to trigger the thermoelectric effect.
  • the copper is.
  • the thread core 11 of the cover threads 3, 4 is in such embodiments, however, of a material having other properties, such as a low weight, low cost or high thermal conductivity.
  • a coating 12 'but also comes for the connecting threads 5, 6 in question.
  • a particular advantage is that in this case for the thread core 1 1 as a core material, a material with low weight, high strength and especially low thermal conductivity, such as a plastic, can be selected, resulting in a compared to connecting threads 5, 6 of solid, such as metallic conductor material very low heat conduction through the substrate.
  • the low weight of the insulating carrier material is substantially retained.
  • an insulating material is used as the carrier material, its heat-insulating property is not or only slightly affected by the textile structure consisting of cover threads 3, 4 and connecting threads 5, 6.
  • the coating 12 may also consist of several layers, as well as the thread core 11, which have a layer structure which combines, for example, high strength with a sufficiently large diameter for a correspondingly large circumference.
  • Fig. 3b shows schematically in sectional side view the structure of an embodiment of a cover thread 3, 4 or a connecting thread 5, 6 as a hollow thread, as it comes in embodiments of a textile thermoelectric device according to the invention is used.
  • the electrically effective coating 12, 12 ' as shown in Figure 3a, disposed in the interior of the thread.
  • the coating is protected against environmental influences, in particular mechanical damage, and, moreover, the threads 3, 4, 5, 6 are electrically insulated toward the outside.
  • the outer thread core 11 is broken open, for example mechanically or by melting, so that the coating 12, 12 'can be brought into an electrically conductive connection.
  • the cavity 26 is dimensioned so that the cover thread 3, 4 or the connecting thread 5, 6 receives such a diameter that it can fulfill its mechanical or thermal function.
  • a larger diameter gives a higher rigidity and also a larger surface, which is associated with an improved heat transfer, which is especially important for the cover threads 3, 4 of importance.
  • This is possible through the use of hollow fibers with minimal use of material for the electrically active material and the thread material.
  • vapor-deposited metal layers, but also other coatings, such as nanoparticles are provided, for example by low-dimensional materials such as nanoparticles (OD), nanorods (1 D) or multilayer structures (2D).
  • 4 shows schematically in a sectional side view the structure of a wall 13 when using an embodiment of a textile thermoelectric component 1 according to the invention in an outer wall insulation 14. On the wall side, an interior space 15 is provided, on the insulation side, an outer area 16.
  • thermoelectric component 1 If the thermoelectric component 1 is used as a Seebeck element in summer operation, a temperature gradient results in such a way that a higher temperature occurs on the first side 7 as a result of solar radiation and high air temperature compared to the side 8 facing the wall. Accordingly, by the Seebeck bin, which is caused in the textile thermoelectric device 1, a voltage can be tapped at the external contacts 10.
  • a temperature gradient is also achievable, but then prevail in the outer region 16 low temperatures, so that the first page 7 is cold, while the wall 13 is heated by the warm interior 15 and also heats the second page 8.
  • a voltage on the external contacts 10 can also be tapped off.
  • thermoelectric component 1 In order to be able to monitor individual regions of the thermoelectric component 1, signal contacts 20 are provided which also monitor a single section of a thermoelectric element which is separate from the other regions by a separating region (see Fig. 2, reference numeral 25). When operating as a Seebeck element, this results in a sensor function if deviating temperature gradients are signaled and these can indicate damage or damage, as explained above.
  • the electrical signals are processed in a signal processing unit 22 in an appropriate manner, for example, they are stored or they are used directly to generate warning signals or avoidances.
  • an insulating material 14 as is usually applied to facades such as the wall 13, is used.
  • mineral wool is provided here.
  • other insulating materials are also used, for example glass wool, wood fibers or foamed plastics.
  • FIG. 5 shows schematically in a sectional side view the use of an embodiment of a textile thermoelectric component 1 according to the invention in the interior 15.
  • the illustrated wall 13 has, as part of a facade, an insulation 14 and a window 17.
  • the textile thermoelectric device 1 is designed as a curtain 18. This is hanging in the interior 15, here in front of the window 17. If the curtain is closed, he can when operating as Seebeck element, the temperature difference between the radiating from the outside 16 forth sun, which warms the curtain on one side, while he on the other side of the low room temperature, use. This temperature difference generates a voltage which is applied to the external contacts 10. The same applies in winter when the window and wall area optionally (despite the insulation 14) is cooler, while prevail in the interior 15 higher temperatures. Because of the limited size of such a curtain and the also rather lower temperature difference between the inside and outside of the curtain 18, a use of the generated voltage, which can be tapped at the external contacts 10, more suitable for control and monitoring devices.
  • the curtain 18 is also operated as a Peltier element.
  • the polarity in such a way that in summer the side of the curtain 18, which points to the interior 15, is cooled while the heat is dissipated in the direction of the window 17 and wall 13. This results in a "cold radiation" in the interior 15, the air therefore does not have to be cooled down so far by an air conditioner, which results in a pleasant overall room climate.
  • the curtain 18 radiates heat toward the interior 15. This also results in a lower heating demand, since the air temperature can be lower and due to the emanating from the curtain 18 thermal radiation in the users of the interior 15 nevertheless creates a comfortable feeling of pleasant room heat.
  • moisture that has entered between the wall and the curtain condenses on the curtain and is released back into the room air. This reduces the humidity in the vicinity of the wall and the risk of mold growth is reduced.
  • FIG. 6 shows schematically in a sectional side view the structure of an embodiment of a textile thermoelectric device 1 according to the invention for use on a pipe 19 in the insulation 14.
  • a device 1 takes place on a pipe 19, which is used as a heating pipe.
  • a high temperature which causes a temperature gradient in the device 1 compared to the cooler surrounding area.
  • piping is not limited to heating pipes, but also includes other substantially tubular elements such as exhaust systems or chimneys, where a high temperature difference can be achieved by high exhaust gas temperatures. Chimneys also have a large effective and usable surface. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein textiles thermoelektrisches Bauelement, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendungen eines textilen thermoelektrischen Bauelements. Dabei wird ein elektrisch isolierendes flächiges Trägermaterial (2), das in der Weise von Deckfäden (3, 4) bedeckt und von Verbindungsfäden (5, 6) mit jeweils unterschiedlichen thermoelektrischen Materialeigenschaften durchsetzt ist, dass die Deckfäden (3, 4) und die Verbindungsfäden (5, 6) miteinander einen thermoelektrischen Effekt hervorrufen. Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung des textilen thermoelektrischen Bauelements (1) auf Basis eines thermisch isolierenden flächigen Trägermaterials (2) angeboten. Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch die Verwendung des textilen thermoelektrischen Bauelements (1), wobei dieses wahlweise als Seebeck-Element zur Spannungserzeugung und als Peitier-Element zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz eingesetzt wird, wobei die Seiten (7, 8) der niedrigen und der hohen Temperatur bedarfsweise gewechselt werden. Weitere Verwendungen liegen darin, dass die von den einzelnen Bereichen des thermoelektrischen Bauelements (1) elektrischen Spannungen getrennt erfasst und einer Signalverarbeitung (22) zugeführt werden.

Description

Textiles thermoelektrisches Bauelement
Die Erfindung betrifft ein textiles thermoelektrisches Bauelement, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie seine Verwendung. Unter Thermoelektrizität wird die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander verstanden. Ein thermoelektrisches Element nutzt den Seebeckeffekt, der aus einer Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung zwischen zwei verschiedenen Leitern hervorruft. Entsprechend kann bei der Nutzung des reziproken Peltiereffekts eine Spannung eine Temperaturdifferenz zwischen den Leitern oder Halbleitern erzeugen.
Grundlage für den Peltiereffekt ist der Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau (entweder p- oder n-leitend) der Leitungsbänder besitzen. Leitet man einen Strom durch zwei hintereinanderliegende Kontaktstellen dieser Materialien, so muss auf der einen Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen werden, damit das Elektron in das energetisch höhere Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt Dadurch kommt es zu einer Abkühlung. Auf der anderen Kontaktstelle fällt das Elektron von einem höheren auf ein tieferes Energieniveau, so dass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Da n-dotierte Halbleiter ein niedrigeres Energieniveau des Leitungsbandes aufweisen, erfolgt die Kühlung dabei an der Stelle, an der Elektronen von dem n-dotierten in den p-dotierten Halbleiter übergehen. Der technische Stromfluss erfolgt also vom p-dotierten zum n-dotierten Halbleiter. Der Effekt tritt auch bei Metallen anstelle von Halbleitern auf, ist hier jedoch sehr gering und wird fast vollständig durch die Stromwärme und die hohe Wärmeleitfähigkeit überlagert.
Die Nutzung des thermoelektrischen Effekts zur Energiegewinnung an Gebäuden ist bekannt und wird auch in Ergänzung zur photovoltaischen Stromerzeugung aus Sonnenstrahlung vorgeschlagen. So beschreibt die Druckschrift EP 2 239 787A1 einen Solarkollektor, der den photovoltaischen Effekt mit dem thermoelektrischen Seebeckeffekt kombiniert und dazu im Inneren eine Isolation aufweist, um die beiden Leiter entsprechend zu beabstanden. Dadurch kann ein ausreichend großer Temperaturunterschied gehalten werden, ohne dass dieser sich zu schnell über die Zwischenschicht ausgleicht. Der beschriebene Solarkollektor ist an Fassade und Dach in herkömmlicher Weise anbringbar. Er ist jedoch starr und weist keine Flexibilität auf. Ein Einsatz in Bauelementen, die bei Einbau oder im Einsatz elastisch sein müssen, ist somit ausgeschlossen. Der Solarkollektor muss zudem immer an der Oberfläche des betreffenden Gebäudes angebracht sein. Dadurch beeinflusst er das Aussehen des Gebäudes. Weiterhin ist die Schichtdicke begrenzt, da nur ein Aufbau begrenzter Stärke auf die Fassade tolerierbar ist.
Einige der vorgenannten Probleme löst die Druckschrift DE 1 994 68 06 A1. Hier werden Energiemodule vorgeschlagen, die zum Einbau in Wand, Decke oder als Dachziegel zur Nutzung von Temperaturunterschieden im Gebäude geeignet sind. Nachteilig hieran ist jedoch ein aufwendiger Einbau, da besondere Bauelemente zum Einsatz kommen, die um thermoelektrische Elemente ergänzt sind. Solche Bauelemente weisen in aller Regel eine verminderte Festigkeit auf, da in den Bereichen, in denen das thermoelektrische Element eingesetzt ist, das eigentliche Baumaterial, bei einem Dachziegel z.B. Ton, fehlt. Sie sind zudem unflexibel, so dass kein Einsatz in elastischen Bauelementen möglich ist.
Die Druckschrift DE 10 2009 022 745 A1 erweitert die zum Zweck der Energiegewinnung einsetzbaren Bauelemente, indem die Gebäudehülle an verschiedenen Stellen mit Seebeck- Elementen versehen werden soll. Die Seebeck-Elemente werden dazu an die Bauelemente, beispielsweise an die Dachunterspannbahn, geklebt oder anders in das jeweilige Bauelement integriert. Jedoch auch hieraus erwachsen die Nachteile, dass zunächst direkte Sonneneinstrahlung erforderlich ist. Vor allem aber wird in jedem Fall ein gesonderter Generator mit entsprechendem Schichtaufbau (in der Regel Quader aus p- und n-dotiertem Halbleitermaterial mit Metallbrücken zur Verbindung und als thermische Kontaktbrücken, Isolierplatten) benötigt, der mit dem jeweiligen Bauelement verbunden wird. Damit geht eine Beeinträchtigung der Funktion und des Aussehens des Bauelements einher. Es entsteht zusätzlicher Platzbedarf, da das Seebeck-Element häufig nur, wie im Fall der Unterspannbahn, auf das Bauelement aufzubringen ist. Es gilt daher, je dicker das Seebeck- Element und damit das gesamte Bauelement ist, umso höher ist auch die Temperaturdifferenz, aber es resultiert hieraus auch ein höherer Platzbedarf. Zudem sind die Bauelement unflexibel, zumindest und in die Dauerfestigkeit gefährdender Weise im Bereich der Seebeck-Elemente, wodurch es zu Spannungsspitzen und in der Folge zur Rissbildung kommen kann.
Bezüglich der mangelnden Flexibilität schafft die Druckschrift US 2008 002 91 46 A1 Abhilfe. Vorgeschlagen wird hier ein flexibler Solargenerator mit Beabstandung der Schichten durch ein Gestrick. Um jedoch größere Schichtdicken mit einem entsprechend großem Abstand der Schichten zu erreichen, ist ein sehr aufwändiges Strickverfahren notwendig. Der mögliche Abstand wird somit durch die erreichbare Dicke des Textils begrenzt. Zudem ist die Druckstabilität begrenzt und das Gestrick weist keinen oder nur einen geringen Isolationseffekt auf. In der Folge tritt ein Wärmeaustausch zwischen den Schichten auf und die Effizienz des thermoelektrischen Elements wird beeinträchtigt.
Aus der Druckschrift US 2005/ 0 1 12 872 A1 ist ein thermoelektrisches Bauelement bekannt, das mit Leitern versehene Deckschichten und diese Leiter verbindende Verbindungshalbleiter aufweist. Hierzu wird ein Substrat mit Nanoporen versehen und diese mit Halbleitermaterial gefüllt. Dadurch entstehen Nanodrähte, die als Verbindungshalbleiter fungieren. Dieses Verfahren ist durch das Einbringen der Nanoporen und das Befüllen mit Halbleitermaterial sehr aufwändig. Zudem mangelt es dieser Lösung an mechanischer Festigkeit, da die so hergestellten Verbindungshalbleiter keiner mechanischen Belastung ausgesetzt werden können.
Auch Fertigungsverfahren für textile thermoelektrische Bauelemente sind bekannt. So beschreibt die Druckschrift FR 2 646 021 A1 Verfahren von textiltechnischer Verarbeitung von Fäden aus unterschiedlichen Metalllegierungen. Dabei werden durch Weben, Flechten oder Stricken herkömmlicher, rein textiler Bänder erzeugt, die die Fäden aus Metalllegierungen beabstandet zueinander halten und die hierdurch ein thermoelektrisches Element darstellen. In einem gesonderten Arbeitsgang müssen aber die einzelnen Fäden aus Metalllegierungen elektrisch leitend verbunden werden. Somit wird das textiltechnische Verfahren nicht direkt auf die Fäden aus Metalllegierungen angewendet, sondern es dient nur als Stütz- und Haltevorrichtung für die aktiven Elemente. Ungeachtet dessen ist der Aufwand zur Herstellung besonders groß, da neben den vorgenannten Arbeitsschritten das Band auch noch zu einem thermoelektrischen Element erwünschter Größe aufgewickelt werden muss. Somit sind mehrere Arbeitschritte nötig, ehe ein funktionsfähiges Thermoelement entstehen kann.
Die Druckschrift JP 2003 209 297 A zeigt eine wärmeisolierende Platte, durch die ineinander verschränkte Alumel- (Nickelbasislegierung bestehend aus 95 % Nickel, 2 % Magnesium, 2 % Aluminium und 1 % Silizium) und Chromeldrähte (Nickelbasislegierung mit Chrom) beidseitig wechselweise geführt werden. Die als Trägerelement vorgesehen Epoxi-Platte ist rigide und daher nicht ohne Vorbereitung mittels textiltechnischen Verfahrens bearbeitbar. Zudem ist hierdurch die elektrische Kontaktierung der Drahtschlaufen erschwert, da keine mechanischen Spannungen hervorrufende elastische Verformung möglich ist. Zudem sind Epoxi-Platten sehr dünn, so dass nur eine geringe Temperaturdifferenz nutzbar ist und der thermoelektrische Effekt entsprechend schwach ausfällt. Nach dem Stand der Technik sind somit textile thermoelektrische Bauelemente bekannt, die entweder bei ausreichender Isolation zwischen den Schichten, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, die Dicke des damit ausgerüsteten Bauelements stark erhöhen und unflexibel sind oder bei zwar vorhandener Flexibilität eines dreidimensionalen Gestricks weder eine ausreichende Isolation aufweisen, noch die entsprechende Druckfestigkeit eines Bauelements. Zudem ist eine Funktionsumkehr, bei der in demselben Bauelemente ein thermischer Effekt durch Stromfluss hervorgerufen wird, nicht bekannt. Sofern dies gelöst ist, ergibt sich jedoch ein sehr großer Aufwand bei der Herstellung. Daraus resultiert die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein textiles thermoelektrisches Bauelement anzubieten, das bei ausreichender Flexibilität die unterschiedlich temperierten Schichten thermisch voneinander isoliert, ohne erhöhten Platzbedarf aufzuweisen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung es, ein Verfahren anzubieten, durch das ein erfindungsgemäßes textiles thermoelektrisches Bauelement mit geringem Aufwand herzustellen ist.
Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, das textile thermoelektrische Bauelement zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz oder einer elektrischen Spannung einzusetzen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein textiles thermoelektrisches Bauelement, bei dem ein flächiges Trägermaterial, das bevorzugt ein elektrisch, besonders bevorzugt zugleich ein thermisch isolierendes flächiges, flexibles Trägermaterial ist und zwei voneinander beabstandete Flachseiten aufweist, in der Weise von mittels eines textiltechnischen Verfahrens aufbringbaren Deckfäden oder einer Deckelektrode, wie im folgenden Absatz beschrieben, bedeckt und von mittels eines textiltechnischen Verfahrens einbringbaren Verbindungsfäden mit jeweils unterschiedlichen thermoelektrischen Materialeigenschaften durchsetzt ist, dass die Deckfäden und die Verbindungsfäden miteinander einen thermoelektrischen Effekt hervorrufen, wobei die ersten und die zweiten Deckfäden durch die Verbindungsfäden mittels eines textiltechnischen Verfahrens miteinander verbunden sind und sich elektrisch leitende Berührungsstellen zwischen Deckfäden und Verbindungsfäden ausbilden, und wobei die erste Flachseite des Trägermaterials mit den ersten Deckfäden die ersten Berührungsstellen und die zweite Flachseite des Trägermaterials mit den zweiten Deckfäden die zweiten Berührungsstellen des textilen thermoelektrischen Bauelements bilden. Die Deckfäden sind an der Oberfläche des Trägermaterials angeordnet und dort von außen sichtbar. Alternative Ausführungsformen sind jedoch vorgesehen. Danach sind die Deckfäden beispielsweise in die Oberfläche eingelassen oder von einer Oberflächenschicht des Trägermaterials überdeckt. Eine weitere Alternative sieht vor, dass an Stelle von Deckfäden auf einer oder beiden Flachseiten des Trägermaterials eine Deckelektrode aus einem flächigen Material, beispielsweise eine Metall- oder Halbleiterfolie, oder aus einer flächigen Beschichtung mit den entsprechenden elektrischen bzw. thermoelektrischen Eigenschaften aufgebracht ist. Dabei sind die leitenden Bereiche bevorzugt in Streifen angeordnet, wobei zwischen den Streifen isolierende Bereiche angeordnet sind. Die Verbindungsfäden sind bei der Herstellung des erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements in die leitenden Bereiche einzubringen. Die streifenförmigen leitenden Bereiche sind im Sinne der Erfindung von dem Begriff „Deckfäden" mit umfasst.
Die Verbindungsfäden schaffen eine Verbindung zwischen den ersten Deckfäden und den zweiten Deckfäden durch das Trägermaterial hindurch, wodurch eine elektrische Verbindung entsteht. Unterschiedliche thermoelektrische Eigenschaften, nämlich die Seebeck-Konstante, vor allem aber auch die Peltier-Konstante, der elektrisch aktiven Bestandteile von Deckfäden und Verbindungsfäden führen zu den erfindungswesentlichen thermoelektrischen Effekten.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Deckfäden und die Verbindungsfäden elektrisch leitend. Hierbei kommen unterschiedliche Metalle zum Einsatz, die zumindest einen signifikanten Seebeckeffekt hervorrufen, in geringem Maße auch einen Peltiereffekt. Kommt es auf Letzteren nicht an, so bietet diese Ausführungsform den besonderen Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Aufbaus und einer unaufwändigen Herstellung. Besonders bevorzugt ist der Einsatz von Kupferdrähten als Deckfäden. Andere geeignete Metallpaarungen sind bekannt, wie beispielsweise Ni/NiCr.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Deckfäden elektrisch leitend und die Verbindungsfäden elektrisch halbleitend und erste elektrisch halbleitende Verbindungsfäden weisen eine n-Dotierung und zweite elektrisch halbleitende Verbindungsfäden weisen eine p- Dotierung auf. Die Kombination eines metallischen Leiters mit einem Halbleiter, der wechselweise p-dotiert und n-dotiert in Reihe geschaltet ist, führt bekanntermaßen zu einem sehr effektiven thermoelektrischen Element, das sowohl als Peltier-Element, als auch als Seebeck-Element einsetzbar ist. Damit ist ein besonders universeller Einsatz möglich.
Hierzu erfolgt die Verbindung eines ersten Deckfadens mit einem zweiten Deckfaden über einen Verbindungsfaden, der p-dotiert ist, beispielsweise p-dotiertes Silizium aufweist. Der zweite Deckfaden ist wiederum mit einem weiteren ersten Deckfaden über einen Verbindungsfaden verbunden, der p-dotiert ist, beispielsweise p-dotiertes Silizium als Halbleiter aufweist. In dieser Weise setzt sich der Aufbau des textilen thermoelektrischen Bauelements fort, indem alle oder eine Vielzahl von Einzelelementen in Reihe geschaltet sind. Weitere vorteilhafte Werkstoffverwendungen sind bekannt, beispielsweise Bi:Sb:Zn, Verbindungen der V. und der VI. Hauptgruppe bei Raumtemperatur, Elemente der V. Hauptgruppe und deren Legierungen bei tiefen Temperaturen oder PbTe und SiGe- Legierungen bei hohen Temperaturen. Besonders gut geeignet für die Verbindungsfäden sind Materialien mit einem hohen Seebeckeffekt, einer hohen elektrischen Leitfähigkeit und einer geringen thermischen Leitfähigkeit. Wird nun zwischen dem ersten und dem letzten Deckfaden der Reihenschaltung eine Spannung angelegt, so entsteht ein Wärmefluss in den Verbindungsfäden mit der Folge, dass bei einer bestimmten Polung sich im Sinne des Peltiereffekts die ersten Deckfäden auf der ersten Seite des textilen thermoelektrischen Bauelements erwärmen und die zweiten Deckfäden auf der zweiten Seite sich abkühlen. Bei einem Wechsel der Polung kehrt sich der Effekt entsprechend um.
Weiterhin ist der Seebeckeffekt nutzbar, wenn zwischen der ersten und der zweiten Seite des textilen thermoelektrischen Bauelements eine Temperaturdifferenz besteht. In diesem Falle ist von den Kontakten des ersten und des letzten Deckfadens eines Teilelements oder des gesamten Bauelements eine Spannung abnehmbar.
Vorteilhafter Weise ist als Trägermaterial flexibles bahnförmiges Fasermaterial vorgesehen, wie es in vielfältigen Ausführungen auf dem Markt verfügbar ist. Hierzu gehören Isoliermaterialien wie Steinwolle oder Glaswolle. Auch textiltechnologisch hergestellte Produkte, beispielsweise Flächengebilde in Wirrlage, wie Filz oder Nadelfilz, kommen infrage. Ein Trägermaterial bietet den besonderen Vorteil, dass dieses die grundlegenden mechanischen Eigenschaften wie Zug- oder Druckfestigkeit von Hause aus mitbringt und solche Anforderungen an die Deckfäden oder die Verbindungsfäden nur in begrenztem Maße oder gar nicht zu stellen sind. Damit fokussiert sich die Auswahl der Materialien insbesondere auf die elektrischen Eigenschaften, die damit bei minimalem Materialeinsatz in hohem Maße optimierbar sind. Besonders günstig ist es, wenn das Trägermaterial mit einer mechanischen Vorspannung beaufschlagbar ist. Dann halten die eingebrachten Verbindungsfäden diese Spannung teilweise gegen das Bestreben zur Expansion des Trägermaterials aufrecht. Dadurch werden die Verbindungstellen zwischen Deck- und Verbindungsfäden fest aneinander gezogen und eine sichere elektrische Verbindung entsteht. Zusätzlich ist in einer alternativen Ausführungsform vorgesehen, die elektrische Verbindung zusätzlich zu stabilisieren, beispielsweise durch Verlöten oder Verschweißen. Handelt es sich um ein Isoliermaterial, werden dessen wärmeisolierende Eigenschaften nicht oder nur unwesentlich durch das Einbringen geeigneter Deck- und Verbindungsfäden beeinträchtigt. Der spätere Einsatz als Isoliermaterial kann also in üblicher Weise erfolgen.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Deckfäden und/oder die Verbindungsfäden wenigstens teilweise eine elektrisch leitende Beschichtung eines textilen Fadenkerns und die elektrisch halbleitenden Verbindungsfäden wenigstens teilweise eine elektrisch halbleitende Beschichtung eines Fadenkerns aufweisen. Dadurch sind die Deckfäden und/oder die Verbindungsfäden besonders kostengünstig, da ein preiswerter Fadenkern, beispielsweise aus einem üblichen Polymermaterial, verwendet werden kann. Um jedoch die gewünschten elektrischen Eigenschaften der Fäden hervorzurufen, wird dieser Fadenkern mit einem geeigneten Material, das die gewünschten Eigenschaften verkörpert, beschichtet. Damit kann die dafür notwendige Materialmenge sich ausschließlich an den Anforderungen orientieren, die an die elektrischen Eigenschaften zu stellen sind. Die mechanischen Eigenschaften werden im Wesentlichen durch den Fadenkern bestimmt.
Die Beschichtung ist auf dem äußeren Mantel eines vollen Fadenkerns oder eines hohlen Fadenkerns mit ringförmigem Querschnitt, wobei es sich nicht zwingend um einen Kreisring handeln muss, vorgesehen. Alternativ oder ergänzend dazu ist ein Innenmantel, die Innenzylinderwand eines Fadenkerns mit einem Hohlraum im Inneren, mit elektrisch leitender oder elektrisch halbleitender Beschichtung vorgesehen. Der Fadenkern weist einen zylindrischen oder anders geformten, beispielsweise drei- oder rechteckigen Querschnitt auf. Besondere Vorteile bringen diese beschichteten Fäden vor allem, wenn sie als Verbindungsfäden in einem wärmeisolierenden Trägermaterial eingebracht sind. Dann wird durch den Fadenkern, der ein schlechter Wärmeleiter ist, die Wärmeleitung durch die Isolierschicht minimiert und der Isolationseffekt nicht oder nur minimal durch die metallischen Komponenten beeinträchtigt. Der beschichtete Innenmantel eines hohlen Fadenkerns schützt zudem die innere Beschichtung gegen äußere Einflüsse. Ein hohler Fadenkern ermöglicht zudem die Festlegung mechanischer und thermischer Parameter, beispielsweise das Widerstandsmoment des Fadenquerschnitts oder die Größe der thermisch aktiven Oberfläche. Besondere Vorteile resultieren aus einer Ausführungsform, bei der zwischen jeweils zwei ein abgeschlossenes thermoelektrisches Element bildenden Bereichen der textilen Struktur elektrisch leitender und/oder elektrisch halbleitender Fäden auf dem Trägermaterial ein Trennbereich vorgesehen ist, so dass die beiden Bereiche der textilen Struktur voneinander galvanisch getrennt sind. Dadurch wird es möglich, eine solche Anzahl an thermoelektrischen Einzelelementen wahlweise in Reihe oder parallel zu schalten, dass eine gewünschte Ausgangsspannung oder eine erhöhte Stromstärke an diesem Teilelement abgreifbar ist.
Beim Betrieb des textilen thermoelektrischen Bauelements als Peltier-Element ist es darüber hinaus möglich, einzelne Bereiche des Bauelements einzeln anzusteuern und entsprechend unabhängig von den anderen Elementen zu temperieren. Auch beim Betrieb als Seebeck- Element kann es sinnvoll sein, beispielsweise für Zwecke der Signalgewinnung und -Verarbeitung, die Spannung bzw. deren Änderung über die Zeit in einzelnen Elementen und damit in Teilbereichen des Bauelements gesondert abzugreifen.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn Bereiche der textilen Struktur elektrisch leitender und/oder elektrisch halbleitender Fäden elektrische Anschlüsse aufweisen und damit untereinander oder mit einem externen Stromkreis elektrisch verbindbar sind. Durch das Zusammenschalten der einzelnen Module, die durch Trennbereiche begrenzt werden, können sowohl Spannung als auch Stromstärke variiert und angepasst werden. Zudem ermöglichen die Anschlüsse das Ansteuern der Teilbereiche bzw. das Abgreifen von Spannungen zur Gewinnung von Ausgangssignalen.
Die elektrischen Anschlüsse sind in der bevorzugten Ausführungsform jeweils mit wenigstens einem Deckfaden, in einer alternativen Ausführungsform auch mit mehreren Deckfäden, verbunden. Alternativ ist jedoch auch die Verbindung mit einen Verbindungsfaden vorgesehen.
Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines textilen thermoelektrischen Bauelements mit den Verfahrensschritten Einlegen eines flächigen, bevorzugt auch thermisch isolierenden, Trägermaterials in eine textiltechnische Vorrichtung, Aufbringen der Deckfäden mittels eines textiltechnischen Verfahrens oder der Deckelektrode auf die erste und die zweite Flachseite des Trägermaterials und bevorzugt im selben Arbeitsgang Einbringen der Verbindungsfäden mittels eines textiltechnischen Verfahrens in das flächige Trägermaterial in der Weise, dass eine solche elektrisch leitende Verbindung zwischen den Deckfäden und den Verbindungsfäden entsteht, dass ein thermoelektrischer Effekt hervorgerufen wird. Die Herstellung des textilen thermoelektrischen Bauelements erfolgt somit im wesentlichen durch textiltechnische Verfahren, wie Stricken, Wirken, Nähen oder Ähnliches, die an die Erfordernisse, die bei der Fertigung des textilen thermoelektrischen Bauelements zu berücksichtigen sind, angepasst werden. Dazu gehört einerseits, dass diese Verfahren auf ein Trägermaterial, bevorzugt eine Fasermatte, angewendet werden und eine
dreidimensionale Struktur erzeugbar ist. Weiterhin setzt die Verwendung entsprechend empfindlicher Deckfäden und/oder Verbindungsfäden eine insoweit angepasste Technologie voraus, dass die Fäden weder an ihrer Oberfläche beschädigt noch anderweitig geschädigt, beispielsweise überdehnt werden.
Das flächige Trägermaterial ist während der textiltechnischen Bearbeitung reversibel komprimierbar. Dadurch erhalten die Verbindungsfäden in dem flächigen Trägermaterial nach dessen Entlastung, wobei die beiden Flachseiten wieder voneinander streben, eine mechanische Spannung, durch die sie gegen die Deckfäden oder die Deckelektrode gezogen werden. Damit entsteht eine permanente, sichere Berührung der Kontaktbereiche, ohne dass, insbesondere beim Einsatz in klimatisch unproblematischen Bereichen wie Innenräumen, weitere Maßnahmen für eine Kontaktierung erforderlich würden.
Im Falle des Einsatzes im Außenbereich oder anderen Fällen, in denen Probleme durch Feuchtigkeit auftreten können, ist es besonders vorteilhaft, wenn die elektrisch leitende Verbindung zwischen den Deckfäden und den Verbindungsfäden mechanisch und in ihrer elektrischen Leitungseigenschaft stabilisiert wird. Dieses erfolgt besonders bevorzugt durch die Erwärmung der ersten und/oder der zweiten Oberfläche des Bauelements, wodurch die Fäden miteinander verschweißt oder unter Zusatz eines Lötmittels verlötet werden. Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird anstelle der Oberfläche des Bauelements nur einer der Leiter, bevorzugt der Deckfaden, erwärmt. Dies erfolgt in einer vorteilhaften Weiterbildung durch einen Stromfluss durch den Deckfaden. Weitere Möglichkeiten zur mechanischen, elektrisch leitenden Verbindung zwischen Deckfäden und Verbindungsfäden sind vorgesehen. Beispielsweise kommt eine chemische Aktivierung oder eine Photoaktivierung einer Imprägnierung der Fäden zum Einsatz, wodurch es ebenfalls zur Verbindung kommt.
Eine weitere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe liegt in der Verwendung eines textilen thermoelektrischen Bauelements, bei der infolge einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite des textilen thermoelektrischen Bauelements einen Spannung zwischen zwei Anschlüssen abgegriffen wird. Hierdurch wird eine weitere alternative, erneuerbare Energiequelle erschlossen. Um einen signifikanten Beitrag zur Energieerzeugung, die in einer angemessenen Relation zum Energieverbrauch des mit dem Bauelement ausgestatteten Gebäudes steht, zu ermöglichen, müssen größere Flächen mit dem Bauelement ausgestattet sein. Dann ist in Ergänzung zu fotovoltaischen Anwendungen eine Energieerzeugung unabhängig von der Sonneneinstrahlung und sogar bei Dunkelheit sowie niedrigen Außentemperaturen möglich.
Selbst wenn keine signifikante Menge an Elektroenergie erzeugt werden kann, ist die dezentrale Energiegewinnung von Vorteil. So können kleinere Verbraucher wie Steuerungen, Sicherheits- oder Signaleinrichtungen, die nur eine geringe Energiemenge benötigen, kontinuierlich und ohne aufwändige Zuleitungen oder Auswechseln der Batterien betrieben werden. Allenfalls macht sich eine kurzfristige Energiepufferung erforderlich, um bei mangelnder Stromerzeugung, beispielsweise bei fehlenden Temperaturgefälle im Seebeck- Element, dennoch die Energieeinspeisung zu gewährleisten.
Besondere Vorteile dieser Verwendung sind dann zu erwarten, wenn als Trägermaterial ein Isoliermaterial für Fassade, Dach, Wände, Decken oder Böden eines Gebäudes vorgesehen ist, das textile thermoelektrisch Bauelement in das Gebäude eingesetzt wird und neben seiner Isolationsfunktion eine Spannung erzeugt. In dem Fall sind sehr große Flächen mit dem thermoelektrischen Bauelement ausgestattet, woraus eine entsprechend hohe Kapazität für die Stromerzeugung resultiert.
Wird beispielsweise eine Fassade oder ein Dach isoliert, so ergibt sich in der kalten Jahreszeit ein Temperaturgefälle in der Weise, dass niedrige Außentemperaturen einer vergleichsweise hohen Innentemperatur gegenüberstehen. Im umgekehrten Fall erwärmt sich eine sonnenbeschienene Fassade oder ein sonnenbeschienenes Dach der Art, dass es zu einem Temperaturgefälle kommt, bei dem die hohe Temperatur außen und eine vergleichsweise niedrige Temperatur im Inneren des Gebäudes herrscht. In beiden Fällen kann über dem textilen thermoelektrischen Bauelement, das dann als Seebeck-Element fungiert, eine Spannung abgegriffen werden.
Bevorzugt wird auch als Trägermaterial ein Isoliermaterial für Rohrleitungen verwendet und damit das textile thermoelektrische Bauelement an der Rohrleitung eingesetzt, das neben seiner Isolationsfunktion eine Spannung erzeugt. Auch hierbei ist eine Energieerzeugung möglich, sobald sich ein Temperaturgradient zwischen der Oberfläche des Rohrs und der Umgebung ergibt. Dies ist beispielsweise bei einem Heizungsrohr der Fall, dass im Inneren eine hohe Temperatur aufweist. Es sind jedoch auch andere Einsatzfelder, wie beispielsweise eine Warmwasserleitung oder eine Kühlleitung, vorgesehen.
Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe trägt zudem die Verwendung eines textilen thermoelektrischen Bauelements bei, wenn das textile thermoelektrische Bauelement wahlweise als Seebeck-Element zur Spannungserzeugung und als Peltier-Element zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz eingesetzt wird, wobei die Seiten der niedrigen und der hohen Temperatur bedarfsweise gewechselt werden. Hierzu kommen die o.g. Isolationsmaterialien infrage, durch die ein Gebäude unter Ausnutzung des Peltiereffekts gekühlt werden kann. Vorgesehen ist auch eine Beheizung des Isolationsmaterials zur Vermeidung von Kondensatbildung im Wandaufbau, die bei ungünstigen Temperatur- Feuchte-Verhältnissen und vor allem im Zusammenhang mit Baumängeln auftreten kann und entsprechende Schäden am Bauwerk hervorruft. Diese wären dann erkenn- und in der Folge vermeidbar.
Weitaus effektiver stellt sich jedoch ein unmittelbarer Einsatz im Innenraum dar. In einer bevorzugten Verwendung wird das textile thermoelektrische Bauelement als Ausstattungselement für Innenräume eingesetzt und trägt zur Raumklimatisierung bei. Dabei kommt ein textiles Trägermaterial, beispielsweise ein Filz oder ein Dekorationsgewebe, das mit der textilen Struktur aus Deckfäden und Verbindungsfäden entsprechend ausgerüstet als textiles thermoelektrischen Bauelement fungiert, zum Einsatz. So ist vorgesehen, ein solches Bauelement in Form eines Vorhangs vor Fenster oder Wände in der Weise zu positionieren, dass es sowohl Strahlung aufnehmen, als auch die Strahlung in den Raum abgeben kann. So ist es bei entsprechendem Temperaturunterschied beider Seiten eines solchen Vorhangs möglich, eine Spannung aus dem Seebeck-Element abzugreifen.
Der ein textiles thermoelektrisches Bauelement aufweisende Vorhang kann jedoch auch mit einer Spannung beaufschlagt werden und zur Raumklimatisierung beitragen. In der warmen Jahreszeit und bei hohen Innenraumtemperaturen wird das Peltier-Element in der Weise betrieben, dass die kalte Seite zum Raum hinweist. Dadurch entsteht eine„Kältestrahlung", die selbst bei höherer Lufttemperatur im Raum ein angenehmes Empfinden hervorruft und den störenden Einfluss der hohen Raumtemperatur mildert. Im umgekehrten Fall, wenn eine Beheizung des Raumes erforderlich wäre, wird die zum Raum hin weisende Seite des als Vorhang ausgeführten textilen thermoelektrischen Bauelements infolge gegenteiliger Polung erwärmt. Die Wärmestrahlung führt zu einem behaglichen Empfinden bei den im Raum befindlichen Personen, ohne dass eine übermäßig hohe Lufttemperatur erforderlich würde. Dadurch können Heizkosten gespart werden. Zudem ist die gesamte Temperierungsanlage auf Basis des textilen thermoelektrischen Bauelements sehr reaktionsschnell, was mit einer herkömmlichen Heizung oder Klimaanlage, die im Raum befindliche Luft erwärmt oder kühlt, nicht ansatzweise erreichbar wäre. Anstelle eines Vorhangs, wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel vorgesehen, sind auch andere Einbauten im Raum zur Aufnahme eines thermoelektrischen Bauelements vorgesehen. Dies sind beispielsweise Isoliertapeten oder Elemente des Innenausbaus, insbesondere in Holzverkleidungen oder entsprechende Imitationen eingebettete thermoelektrische Bauelemente.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch die Verwendung eines textilen thermoelektrischen Bauelements, bei dem die von den einzelnen Bereichen des thermoelektrischen Bauelements erzeugten elektrischen Spannungen getrennt erfasst und einer Signalverarbeitung zugeführt werden. Dies erfolgt bevorzugt durch gesonderte Signalkontakte. Hieraus resultieren besondere Vorteile bei der Überwachung des Gebäudes, der Feststellung von Havarien und aufkommenden Bauschäden.
So erfolgt beispielsweise eine Temperaturmessung, deren Ergebnisse als Daten bei der Gebäudeautomatisation zur Verfügung stehen. Dadurch ist eine lokale Beeinflussung einzelner Bereiche des Gebäudes, beispielsweise eine geänderte Beheizung schattiger Bereiche oder eine Kühlung bei örtlicher Sonneneinstrahlung möglich, ohne das gesamte Gebäude mit übermäßig hohem Energieeinsatz zu stark zu kühlen oder zu heizen. Zudem weisen lokale Temperaturerhöhungen auf einen entstehenden Brand, beispielsweise im verdeckten Bereichen wie Installationsschächten, hin. Dabei wird nicht nur eine Brandmeldung im sehr frühen Stadium der Brandentstehung ausgelöst, sondern auch eine Lokalisierung des Brandherdes ermöglicht. Temperaturunterschiede zu umgebenden Bereichen sind auch im Falle von bauklimatischen Schäden, wie einem Feuchteanfall in der Fassade durch eindringenden kondensierenden Wasserdampf oder bei Nässeschäden zu detektieren.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 : schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements mit halbleitenden Verbindungsfäden; Fig. 2: schematisch in Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements mit halbleitenden Verbindungsfäden in modularem
Aufbau und mit elektrischen Kontakten;
Fig. 3a: schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines Deckfadens oder eines Verbindungsfadens, wie er in Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements zum Einsatz kommt; Fig. 3b: schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines Deckfadens oder eines Verbindungsfadens als Hohlfaden, wie er in
Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements zum Einsatz kommt;
Fig. 4: schematisch in geschnittener Seitenansicht den Wandaufbau beim Einsatz einer
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements in einer Außenwandisolation;
Fig. 5: schematisch in geschnittener Seitenansicht den Wandaufbau beim Einsatz einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements im Innenraum; und
Fig. 6: schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements zum Einsatz in einer Rohrisolierung.
Fig. 1 zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements 1 mit halbleitenden Verbindungsfäden 5, 6. Die ersten Deckfäden 3 liegen an der ersten Seite 7 des Bauelements 1 , in der Figur an der Oberseite dargestellt, und die zweiten Deckfäden 4 an der zweiten Seite 8, der Unterseite des Trägermaterials 2. Dabei sind die Deckfäden 3, 4 in die Oberflächen des Trägermaterials 2 eingelassen. In alternativen Ausführungsformen wird davon abgewichen, indem beispielsweise die Deckfäden 3, 4 die Oberflächen überragen oder auch so weit in die Oberfläche eingelassen sind, dass sie nicht mehr unmittelbar von außen sichtbar sind.
Die für den thermoelektrischen Effekt erforderliche Verbindung zwischen den ersten Deckfäden 3 und den zweiten Deckfäden 4 durch ein geeignetes Material, in der bevorzugten Ausführungsform Halbleitermaterial, wird durch die Verbindungsfäden 5, 6 realisiert. Alternativ zu einem Halbleitermaterial ist vorgesehen, ein Metall einzusetzen, wobei die thermoelektrische Konstante des Materials der oberen Deckfäden 3 in diesem Fall von dem der unteren Deckfäden 4 abweicht. In der dargestellten, besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt jedoch die Verbindung vom oberen, aus Kupfer bestehenden Deckfaden 3 zum unteren Deckfaden 4, der ebenfalls aus Kupfer besteht, durch einen ersten Verbindungsfaden 5, der aus einem n-dotierten Siliziummaterial besteht. Der Verbindungsfaden 5 ist mit dem oberen Deckfaden 3 in der ersten Verbindungsstelle A und mit dem unteren Deckfaden 4 im Punkt B verbunden. Die Verbindung vom unteren Deckfaden 4 (zweite Verbindungsstelle B) zum oberen Deckfaden 3' (dritte Verbindungsstelle C) erfolgt durch einen zweiten Verbindungsfaden 6, der aus einem p-dotierten Siliziummaterial besteht. Wird das Bauelement 1 als Peltier-Element betrieben, ist eine Spannung zwischen den Kontaktstellen X und Y anzulegen. Dann fließt der Strom durch die Verbindungsstellen A, B, C und D mit der Folge, dass sich die Kontaktstellen der ersten Seite 7 (die Verbindungsstellen A, C) erwärmen und die Kontaktstellen der zweiten Seite 8 (die Verbindungsstellen B, C und die Kontaktstellen X, Y) abkühlen. Bei umgekehrter Polung der an den Kontaktstellen X, Y angelegten Spannung kehrt sich der Effekt entsprechend um und die erste Seite 7 kühlt sich ab, während die zweite Seite 8 sich erwärmt.
Wird das thermoelektrische Bauelement 1 hingegen als Seebeck-Element betrieben, hätte eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten Seite 7 und der zweiten Seite 8 zur Folge, dass an den Kontaktstellen X, Y eine Spannung abgreifbar wäre. Das Bauelements 1 dient in diesem Fall der Energieerzeugung.
Bei der Fertigung eines solchen thermoelektrischen Bauelements 1 sind die Deckfäden 3, 4 auf den Seiten 7, 8 anzubringen. Alternativ erfolgt ein Anbringen der Deckfäden 3, 4 auch in der Oberfläche der Seiten 7, 8 oder im Bereich der Oberfläche. Weiterhin wird, wie in der Fig. 1 dargestellt, ein Verbindungsfaden 5 zwischen einem ersten Deckfaden 3 und einem zweiten Deckfaden 4 in das Trägermaterial 2 eingebracht. Dabei handelt es sich in der bevorzugten Art und Weise der Herstellung um einen kontinuierlichen, im textiltechnischen Sinne endlosen Verbindungsfaden 5, der fortlaufend zwischen den beiden Deckfäden 3, 4 eingebracht wird. Dieses erfolgt durch ein textiltechnisches Verfahren nach dem Stand der Technik, beispielsweise durch Nähen. Besonders günstig ist es, wenn sowohl die Deckfäden 3, 4 als auch Verbindungsfäden 5, 6 in einem Arbeitsgang aus der Textilmaschine ablaufen. Dabei werden die Deckfäden 3, 4 auf den Flachseiten des Trägermaterials 2 platziert und unmittelbar danach mit den Verbindungsfäden 5, 6 vernäht.
Anstelle eines fortlaufenden Verbindungsfadens 5 ist auch vorgesehen, alternativ einzelne Fadenstücke einzubringen. Für diese ist es dann insbesondere vorteilhaft, an den Punkten A und B fixiert zu werden, z.B. durch Verknoten oder Verschweißen. Günstig ist dies aber auch bei Anwendung der vorgenannten Verfahrensweise mit einem durchgehenden Verbindungsfaden 5, da mit einer Fixierung stets eine Verbesserung der elektrischen Verbindung und zugleich eine mechanische Fixierung dieser Verbindung gesichert wird. Hierzu ist vorgesehen, dass der Verbindungsfaden 5 mit dem ersten Deckfaden 3 und dem zweiten Deckfaden 4 verschweißt wird, was durch Erwärmen von außen oder durch Erwärmen des Deckfaden 3, 4 erfolgt. Alternative Möglichkeiten der Befestigung sind vorgesehen, wie beispielsweise durch einen aktivierbaren, elektrisch leitenden Kleber. Für den zweiten Verbindungsfaden 6 gilt hinsichtlich der Einbringung- und Befestigungstechnologie das für den ersten Verbindungsfaden 5 Ausgeführte. Als textiltechnisches Verfahren zum Einbringen der textilen thermoelektrischen Struktur in das Trägermaterial 2 ist insbesondere das Nähen vorgesehen, jedoch alternativ auch andere Technologien, die auf dem Abstandssticken, dem Abstandswirken oder dem Abstandsweben basieren und die eine dreidimensionale Struktur zu erzeugen vermögen.
Die entsprechende textiltechnische Vorrichtung nach dem Stand der Technik, gegebenenfalls mit Modifikationen, wird mit der Materialbahn des Trägermaterials 2 bestückt und hierauf die Deckfäden 3, 4 sowie die Verbindungsfäden 5, 6 eingebracht und entsprechend miteinander verbunden.
Fig. 2 zeigt schematisch in einer Draufsicht eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements 1 mit halbleitenden Verbindungsfäden 5, 6 in modularem Aufbau und mit elektrischen Kontakten 9, 10. Sie verdeutlicht damit zunächst die in Fig. 1 und der zugehörigen Beschreibung dargelegte Struktur und den Aufbau des textilen thermoelektrischen Bauelements 1. Hierbei wird, insbesondere durch den vergrößerten Bereich, nochmals deutlich, dass es sich um jeweils, wie als alternative Ausführungsform beschrieben, einzelne Verbindungsfäden 5, 6 handelt. Diese umschlingen jeweils einzeln in einem begrenzten Bereich die Deckfäden 3, 4.
Zudem zeigt Fig. 2, dass in das Trägermaterial 2 eingebrachte textile thermoelektrische Strukturen diese in begrenzten Bereichen 23, 24 durchsetzen, während diese Bereiche von Grenzbereichen 21 und Trennbereichen 25, die von einer textilen thermoelektrischen Struktur freigehalten werden, begrenzt sind. Dadurch lassen sich lokal begrenzte thermoelektrische Elemente erzeugen, die wahlweise zusammengeschaltet oder einzeln betrieben werden können. Dargestellt in Fig. 2 ist eine Zusammenschaltung mehrerer solcher Teilbereiche, wobei vier Teilbereiche 23, 24 durch die Innenkontakte 9 elektrisch verbunden sind, während über die Außenkontakte 10 die gesamte Reihenschaltung an einen Verbraucher oder an eine Spannungsquelle anschließbar ist. Somit kann im Falle des Betriebs als Seebeck-Element eine höhere Spannung abgegriffen werden. Wird das Bauelement 1 als Peltier-Element betrieben, kann die gesamte Oberfläche des Bauelements 1 gekühlt bzw. geheizt werden.
Jedoch bietet die Separation zusätzlich die Möglichkeit, die separaten Bereiche 23, 24 auch einzeln zu schalten. Dies ermöglicht zunächst einen sensorischen Effekt, da die Temperaturgradienten im Bauelement 1 sehr genau lokalisiert werden können. Hierdurch lässt sich beispielsweise unterscheiden, ob ein solcher Gradient beispielsweise von der Sonneneinstrahlung, wenn alle Teilelemente, die Teilbereiche 23, 24, den gleichen Gradienten aufweisen, oder beispielsweise von einem erhitzten Kabel, wenn nur einer der Teilbereiche 23, 24 den Gradienten aufweist, herrührt. Gleiches gilt, wenn beispielsweise auftretende Nässe, sei es durch eine undichte Leitung oder in Folge kondensierter Luftfeuchtigkeit, als Abkühlung wahrgenommen wird. Hierdurch sind besonders vorteilhafte Effekte, beispielsweise beim Einsatz in einem Gebäude, in Zusammenhang mit dem effizienten Gebäudemanagement und einer hohen Sicherheit gegen Havarien, Brände oder aufkommende Bauschäden zu verzeichnen.
Fig. 3a zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau von Ausführungsformen eines Deckfadens 3, 4 bzw. eines Verbindungsfadens 5, 6, wie er in Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements bevorzugt zum Einsatz kommt.
Zur Aufnahme und Abgabe der Wärme bzw. Kälte sind die oberen und unteren Deckfäden 3, 4 mit entsprechend größerer Fläche zur Wärmeabgabe an die Umgebung ausgestaltet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Fadenkerne als Deckfäden 3, 4 jedoch nur mit einer Beschichtung 12 des Materials, das zum Auslösen des thermoelektrischen Effekts erforderlich ist, beschichtet. Bei der vorliegenden beispielhaften Ausgestaltung ist das Kupfer. Der Fadenkern 11 der Deckfäden 3, 4 besteht in solchen Ausführungsformen hingegen aus einem Material, das andere Eigenschaften, beispielsweise ein geringes Gewicht, geringe Kosten oder eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Beschichtung 12' kommt aber auch für die Verbindungsfäden 5, 6 infrage. Hierbei ist insbesondere eine Einsparung von hochwertigem Material, wie es dotiertes Silizium darstellt, als Vorteil zu nennen. Ein besonderer Vorteil besteht auch darin, dass hierbei für den Fadenkern 1 1 als Kernmaterial ein Werkstoff mit niedrigem Gewicht, hoher Festigkeit und vor allem geringer Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise ein Kunststoff, ausgewählt werden kann, wodurch es zu einer im Vergleich zu Verbindungsfäden 5, 6 aus massivem, beispielsweise metallischem Leitermaterial sehr geringen Wärmeleitung durch das Trägermaterial kommt. Zudem bleibt das niedrige Gewicht des isolierenden Trägermaterials im Wesentlichen erhalten. Für den Fall, dass so wie im bevorzugten Ausführungsbeispiel als Trägermaterial ein Isoliermaterial verwendet wird, wird dessen wärmeisolierende Eigenschaft durch die textile Struktur, bestehend aus Deckfäden 3, 4 und Verbindungsfäden 5, 6, nicht oder nur in geringem Maße beeinträchtigt. Die Beschichtung 12 kann auch aus mehreren Schichten bestehen, ebenso wie der Fadenkern 11 , der einen Schichtaufbau, der beispielsweise hohe Festigkeit mit einem ausreichend großen Durchmesser für einen entsprechend großen Umfang kombiniert, aufweisen. Fig. 3b zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines Deckfadens 3, 4 oder eines Verbindungsfadens 5, 6 als Hohlfaden, wie er in Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements zum Einsatz kommt. Dabei ist die elektrisch wirksame Beschichtung 12, 12', wie in Figur 3a gezeigt, im Inneren des Fadens angeordnet.
Dadurch ist die Beschichtung vor Umwelteinflüssen, insbesondere mechanischer Beschädigung, geschützt und zudem sind die Fäden 3, 4, 5, 6 nach außen hin elektrisch isoliert. Für eine Kontaktierung ist vorgesehen, dass der außen liegende Fadenkern 11 aufgebrochen wird, beispielsweise mechanisch oder durch Aufschmelzen, um die Beschichtung 12, 12' in eine elektrisch leitende Verbindung bringen zu können.
Der Hohlraum 26 ist so bemessen, dass der Deckfaden 3, 4 oder der Verbindungsfaden 5, 6 einen solchen Durchmesser erhält, dass er seine mechanische oder thermische Funktion erfüllen kann. So verleiht ein größerer Durchmesser eine höhere Steifigkeit und zudem eine größere Oberfläche, die mit einem verbesserten Wärmeübergang verbunden ist, was vor allem für die Deckfäden 3, 4 von Bedeutung ist. Das ist durch den Einsatz von Hohlfäden mit minimalem Materialeinsatz für das elektrisch wirksame Material und das Fadenmaterial möglich. Zur Beschichtung sind aufgedampfte Metallschichten, aber auch andere Beschichtungen, wie beispielsweise Nanopartikel vorgesehen, beispielsweise durch niederdimensionale Materialien wie Nanopartikel (OD), Nanostäben (1 D) oder Multischichtstrukturen (2D). Fig. 4 zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Wand 13 beim Einsatz einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements 1 in einer Außenwandisolation 14. An der Mauerseite ist ein Innenraum 15 vorgesehen, an der Isolierungsseite ein Außenbereich 16.
Wird im Sommerbetrieb das thermoelektrische Bauelement 1 als Seebeck-Element eingesetzt, ergibt sich ein Temperaturgradient in der Weise, dass an der ersten Seite 7 durch Sonneneinstrahlung und hohe Lufttemperatur eine höhere Temperatur im Vergleich zur der der Wand zugewandten Seite 8 auftritt. Entsprechend ist durch den Seebeckeffekt, der in dem textilen thermoelektrischen Bauelement 1 hervorgerufen wird, an den Außenkontakten 10 eine Spannung abgreifbar.
Im Winterbetrieb ist ebenfalls ein Temperaturgradient erreichbar, jedoch herrschen dann im Außenbereich 16 niedrige Temperaturen, so dass die erste Seite 7 kalt ist, während die Wand 13 durch den warmen Innenraum 15 durchwärmt ist und auch die zweite Seite 8 erwärmt. In diesem Fall ist ebenfalls eine Spannung an den Außenkontakten 10 abgreifbar.
Um einzelne Bereiche des thermoelektrischen Bauelements 1 überwachen zu können, sind Signalkontakte 20 vorgesehen, die auch einen einzelnen, von den anderen Bereichen durch einen Trennbereich (vgl. Fig. 2, Bezugszeichen 25) getrennten Abschnitt eines thermoelektrischen Elements überwachen. Beim Betrieb als Seebeck-Element resultiert hieraus eine Sensorfunktion, wenn abweichende Temperaturgradienten signalisiert werden und diese auf Schäden oder Havarien, wie oben ausgeführt, hinweisen können. Die elektrischen Signale werden in einer Signalverarbeitungseinheit 22 in geeigneter Weise verarbeitet, beispielsweise werden sie gespeichert oder sie dienen unmittelbar zur Erzeugung von Warnsignalen oder -meidungen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Trägermaterial 2 für das Bauelement 1 ein Isoliermaterial 14, wie es üblicherweise an Fassaden wie der Mauer 13 angebracht wird, eingesetzt wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist hier Mineralwolle vorgesehen. Es werden aber auch andere Isoliermaterialien eingesetzt, beispielsweise Glaswolle, Holzfasern oder geschäumte Kunststoffe.
Fig. 5 zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den Einsatz einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements 1 im Innenraum 15. Die dargestellte Wand 13 weist als Teil einer Fassade eine Isolation 14 und ein Fenster 17 auf. In der dargestellten Ausführungsform ist das textile thermoelektrische Bauelement 1 als Vorhang 18 ausgeführt. Dieser hängt im Innenraum 15, hier vor dem Fenster 17. Ist der Vorhang geschlossen, kann er beim Betrieb als Seebeck-Element die Temperaturdifferenz zwischen der aus dem Außenbereich 16 her einstrahlenden Sonne, die den Vorhang einseitig erwärmt, während er auf der anderen Seite die niedrige Raumtemperatur aufweist, nutzen. Diese Temperaturdifferenz erzeugt eine Spannung, die an den Außenkontakten 10 anliegt. Entsprechendes gilt im Winter, wenn der Fenster- und Wandbereich gegebenenfalls (trotz der Isolation 14) kühler ist, während im Innenraum 15 höhere Temperaturen herrschen. Wegen der begrenzten Größe eines solchen Vorhangs und der ebenfalls eher geringeren Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Vorhangs 18 ist eine Nutzung der erzeugten Spannung, die an den Außenkontakten 10 abgreifbar ist, eher für Steuer- und Kontrolleinrichtungen geeignet.
Wahlweise ist der Vorhang 18 auch als Peltier-Element zu betreiben. Dabei erfolgt mit der Spannungsversorgung über die Außenkontakte 10 die Polung in der Weise, dass im Sommer die Seite des Vorhangs 18, die zum Innenraum 15 hinweist, gekühlt wird, während die Wärmeabgabe in Richtung Fenster 17 und Wand 13 erfolgt. Dadurch ergibt sich eine „Kältestrahlung" im Innenraum 15, dessen Luft deshalb nicht so weit durch eine Klimaanlage herunter gekühlt werden muss und womit sich ein dennoch insgesamt angenehmes Raumklima ergibt. Dadurch können entsprechende Energieeinsparungen durch eine verminderte Luftkühlung erreicht werden.
Entsprechendes gilt für die Nutzung des als Vorhang 18 ausgeführten textilen thermoelektrischen Bauelements 1 im Winter. Dann wird bei entsprechend geänderter Polarität der Stromversorgung an den Außenkontakten 10 erreicht, dass der Vorhang 18 zum Innenraum 15 hin Wärme abstrahlt. Auch dadurch ergibt sich ein geringerer Heizwärmebedarf, da die Lufttemperatur geringer sein kann und wegen der vom Vorhang 18 ausgehenden Wärmestrahlung bei den Nutzern des Innenraums 15 dennoch ein behagliches Gefühl einer angenehmen Raumwärme entsteht. Zudem kondensiert Feuchtigkeit, die zwischen Wand und Vorhang gelangt ist, am Vorhang und wird zurück in die Raumluft abgegeben. Dadurch sinkt die Luftfeuchte in Wandnähe und die Gefahr einer Schimmelbildung wird verringert.
Anstelle des Vorhangs 18 sind auch andere Elemente der Inneneinrichtung, mit denen ein Innenraum 15 ausgestattet sein kann, vorgesehen. Dies betrifft beispielsweise eine Dämmtapete oder ein mit textilen thermoelektrischen Bauelementen 1 ausgestatteter Innenausbau aus Holz. Fig. 6 zeigt schematisch in geschnittener Seitenansicht den Aufbau einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen textilen thermoelektrischen Bauelements 1 zum Einsatz an einem Rohr 19 in der Isolierung 14. Auch bei Rohrleitungen sind häufig Temperaturgradienten zwischen dem im Rohr strömenden Medium und dem Umgebungsbereich zu verzeichnen. Bevorzugt erfolgt der Einsatz eines Bauelements 1 an einer Rohrleitung 19, die als Heizungsrohr genutzt ist. Dann ist im Inneren eine hohe Temperatur, die im Bauelement 1 einen Temperaturgradienten gegenüber dem kühleren Umgebungsbereich hervorruft. Die thermische Isolation 14, die für eine solche Rohrleitung 19 zur Vermeidung von Wärmeverlusten ohnehin erforderlich ist, fungiert dann als Trägermaterial und nimmt die textile Struktur des textilen thermoelektrischen Bauelements 1 auf.
Entsprechendes gilt selbst verständlich für ein kaltes im Rohr fließendes Medium gegenüber einem vergleichsweise warmen Umgebungsbereich. Bei entsprechend langen Rohrleitungen ist auch eine hohe Spannung zu verzeichnen. Im Wesentlichen dient eine solche Nutzung des Seebeckeffekt jedoch der Versorgung von Kontroll- und Steuereinrichtungen, die im Zusammenhang mit der Rohrleitung stehen und dann entsprechend keine zusätzliche Spannungsversorgung, beispielsweise durch eine Zuleitung oder eine Batterie, benötigen.
Auch in diesem Falle ist vorgesehen, den reziproken Peltiereffekt zu nutzen. Dieser kann beispielsweise helfen, eine eingefrorene Rohrleitung, gegebenenfalls lokal, zu erwärmen. Die Polung des als Seebeck-Element fungierenden Bauelements 1 ist dann in der Weise, dass die zur Rohrleitung 19 hin weisende Seite erwärmt wird, während die Kälte auf der gegenüberliegenden Seite an die Umgebung abgegeben wird.
Der Einsatz an Rohrleitungen ist nicht auf Heizungsrohre beschränkt, sondern umfasst auch weitere im Wesentlichen rohrförmige Elemente wie Auspuffanlagen oder Schornsteine, wo durch hohe Abgastemperaturen eine besonders hohe Temperaturdifferenz erreichbar ist. Schornsteine weisen zudem eine große wirksame und nutzbare Oberfläche auf. Bezugszeichenliste
1 Bauelement
2 Trägermaterial
3 erster Deckfaden
4 zweiter Deckfaden
5 erster Verbindungsfaden
6 zweiter Verbindungsfaden
7 erste Flachseite
8 zweite Flachseite
9 Innenkontakt
10 Außenkontakt
11 Fadenkern
12, 12' Beschichtung
13 Wand
14 Isolation
15 Innenraum
16 Außenbereich
17 Fenster
18 Vorhang
19 Rohrleitung
20 Signalkontakte
21 Grenzbereiche
22 Signalverarbeitungseinheit
23, 24 Bereiche
25 Trennbereiche
26 Hohlraum
A erste Berührungsstelle
B zweite Berührungsstelle
C dritte Berührungsstelle
D vierte Berührungsstelle
X Kontaktstelle
Y Kontaktstelle

Claims

Patentansprüche
1. Textiles thermoelektrisches Bauelement, dadurch gekennzeichnet, dass ein flächiges Trägermaterial (2), aufweisend zwei voneinander beabstandete Flachseiten (7, 8), in der Weise von mittels eines textiltechnischen Verfahrens aufbringbaren Deckfäden (3, 4) bedeckt und von mittels eines textiltechnischen Verfahrens einbringbaren Verbindungsfäden (5, 6) mit jeweils unterschiedlichen thermoelektrischen Materialeigenschaften durchsetzt ist, dass die Deckfäden (3, 4) und die Verbindungsfäden (5, 6) miteinander einen thermoelektrischen Effekt hervorrufen, wobei die ersten und die zweiten Deckfäden (3, 4) durch die Verbindungsfäden (5, 6) mittels eines textiltechnischen Verfahrens miteinander verbunden sind und sich elektrisch leitende Berührungsstellen (A, B, C, D) zwischen Deckfäden (3, 4) und Verbindungsfäden (5, 6) ausbilden, und wobei die erste Flachseite (7) des Trägermaterials (2) mit den ersten Deckfäden (3) die ersten Berührungsstellen (A, C) und die zweite Flachseite (8) des Trägermaterials (2) mit den zweiten Deckfäden (4) die zweiten Berührungsstellen (B, D) des textilen thermoelektrischen Bauelements bilden.
2. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfäden (3, 4) und die Verbindungsfäden (5, 6) elektrisch leitend sind.
3. Bauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfäden (3, 4) elektrisch leitend und die Verbindungsfäden (5, 6) elektrisch halbleitend sind und erste elektrisch halbleitende Verbindungsfäden (5) eine n-Dotierung und zweite elektrisch halbleitende Verbindungsfäden (6) eine p-Dotierung aufweisen.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (2) ein elektrisch isolierendes, flächiges, flexibles, bahnförmiges Fasermaterial vorgesehen ist.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckfäden (3, 4) und/oder die Verbindungsfäden (5, 6) wenigstens teilweise eine elektrisch leitende Beschichtung (12) eines Fadenkerns (1 1) und die elektrisch halbleitenden Verbindungsfäden (5, 6) wenigstens teilweise eine elektrisch halbleitende Beschichtung (12') eines textilen Fadenkerns (11 ) aufweisen.
6. Bauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Fadenkern (11) hohl ist und die Innenmantelfläche des Hohlraums (26) eine Beschichtung (12, 12') aufweist.
7. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweils zwei ein abgeschlossenes thermoelektrisches Element bildenden Bereichen (23, 24) der textilen Struktur elektrisch leitender und/oder elektrisch halbleitender Fäden (3, 4, 5, 6) auf dem Trägermaterial (2) ein Trennbereich (25) vorgesehen ist, so dass die beiden Bereiche (23, 24) der textilen Struktur voneinander galvanisch getrennt sind und dass die Bereiche (23, 24) der textilen Struktur elektrisch leitender und/oder elektrisch halbleitender Fäden (3, 4, 5, 6) elektrische Anschlüsse (9, 10) aufweisen und damit untereinander und/oder mit einem externen Stromkreis in der Weise elektrisch verbindbar sind, dass bei der Generation von Elektroenergie eine erhöhte Spannung oder eine erhöhte Stromstärke abgreifbar ist.
8. Verfahren zur Herstellung eines textilen thermoelektrischen Bauelements gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
die Verfahrensschritte
- Einlegen des flächigen Trägermaterials (2) in die textiltechnische Vorrichtung,
- Aufbringen der Deckfäden (3, 4) mittels eines textiltechnischen Verfahrens auf die erste und die zweite Flachseite (7, 8) des Trägermaterials (2), und
- Einbringen der Verbindungsfäden (5, 6) mittels eines textiltechnischen Verfahrens in das flächige Trägermaterial (2) in der Weise, dass eine solche elektrisch leitende Verbindung (A, B, C, D) zwischen den Deckfäden (3, 4) und den Verbindungsfäden (5, 6) entsteht, dass ein thermoelektrischer Effekt hervorgerufen wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Verbindung (A, B, C, D) zwischen den Deckfäden (3, 4) und den Verbindungsfäden (5, 6) mechanisch und in ihrer Leitungseigenschaft stabilisiert wird.
10. Verwendung eines textilen thermoelektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Seite (7, 8) des textilen thermoelektrischen Bauelements (1 ) eine Spannung zwischen zwei Innen- oder Außenkontakten (9, 10) abgegriffen wird. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (2) ein Isoliermaterial für Fassade, Dach, Wände (13), Decken oder Böden eines Gebäudes vorgesehen ist, das textile thermoelektrisch Bauelement (1) in das Gebäude eingesetzt wird und neben seiner Isolationsfunktion eine Spannung erzeugt. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (2) eine Isolierung (14) für Rohrleitungen vorgesehen ist, das textile thermoelektrisch Bauelement (1) an der Rohrleitung (19) eingesetzt wird und neben seiner Isolationsfunktion eine Spannung erzeugt. Verwendung eines textilen thermoelektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das textile thermoelektrische Bauelement (1 ) wahlweise als Seebeck-Element zur Spannungserzeugung und als Peltier-Element zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz eingesetzt wird, wobei die Seiten der niedrigen und der hohen Temperatur bedarfsweise gewechselt werden. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das textile thermoelektrische Bauelement (1) als Ausstattungselement für Innenräume (15) eingesetzt wird und zur Raumklimatisierung beiträgt. Verwendung eines textilen thermoelektrischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die von den einzelnen Bereichen (23, 24) des thermoelektrischen Bauelements (1) elektrischen Spannungen getrennt erfasst und einer Signalverarbeitungseinheit (22) zugeführt werden.
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