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Die
Erfindung betrifft ein Modul zur Energieversorgung einer elektrischen
Einrichtung.
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In
vielen Bereichen der Technik ist es erforderlich, elektrische Einrichtungen
mit elektrischer Energie zu versorgen, ohne dass ein Anschluss an
ein Stromversorgungsnetz vorhanden ist. Insbesondere bei elektrischen
Messinstrumenten (z. B. Sensoren zum Erfassen einer Kenngröße)
ist es vielfach wünschenswert, diese autark, d. h. unabhängig
von einem Stromanschluss, betreiben zu können.
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Eine
Möglichkeit, Messinstrumente unabhängig von einem
Stromnetz zu betreiben, besteht in der Verwendung einer elektrochemischen
Batterie. Der Batteriebetrieb ist jedoch insbesondere bei Messinstrumenten,
die über einen längeren Zeitraum hinweg autark
betrieben werden sollen, problematisch, da ein regelmäßiger
Batteriewechsel erforderlich ist. Je nach Installation des Messgerätes
(Aufstellungsort, Zugänglichkeit) kann mit jedem Batteriewechsel
ein hoher Aufwand verbunden sein. Dies trifft insbesondere auf viele
industrielle Umgebungen zu, wo sich zahlreiche Messinstrumente an
schwer zugänglichen oder gar nicht zugänglichen
Bereichen befinden. Zudem erweisen sich Batterien bei höheren
Temperaturen als unzuverlässig.
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Ein
Beispiel für ein Messinstrumente, die in vielen Fällen
autark betrieben werden müssen, aber nicht immer mit einer
Batterie versorgt werden können, sind Flüssigkeitsmengenzähler,
die die Durchflussmenge eines temperierten Mediums (Flüssigkeit
oder Gas) bestimmen. Zusätzlich kann dabei von einem solchem Messgerät
auch die Temperatur des fließenden Mediums erfasst werden,
wie z. B. bei Warmwasserzählern. Beispiele für
Durchflussmengenmessgeräte sind z. B. in der
DE 196 23 729 C2 und der
DE 100 31 782 A1 beschrieben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein wartungsarmes
Modul zur Energieversorgung einer elektrischen Einrichtung bereitzustellen.
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Dieses
Problem wird durch das Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Besonders bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen gegeben.
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Danach
ist ein Modul zur Energieversorgung einer elektrischen Einrichtung
gegeben, das aufweist:
- – mindestens
einen Thermogenerator, der unter Einwirkung eines Temperaturgefälles
eine elektrische Spannung erzeugt, die der elektrischen Einrichtung
zur Energieversorgung zuzuführen ist; und
- – einen mit dem Thermogenerator zusammenwirkenden elektronischen
Baustein zur Stabilisierung der vom Thermogenerator erzeugten Spannung.
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Die
Verwendung eines Thermogenerators zur Versorgung der elektrischen
Einrichtung hat eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. die völlige
Wartungsfreiheit, keine Verwendung umweltbedenklicher oder schwer
handhabbarer chemischer Substanzen sowie eine im Prinzip unbegrenzte
Lebensdauer.
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Ein
Thermogenerator wandelt generell einen Wärmestrom in elektrische
Energie um, wobei zwischen Anschlüssen (elektrisch leitfähigen
Kontakten) des Thermogenerators eine Thermospannung entsteht (Seebeck-Effekt).
Ist ein äußerer Stromkreis zwischen den Anschlüssen über
einen elektrischen Widerstand (Verbraucher, wie z. B. die elektrische
Einrichtung) geschlossen, fließt ein Gleichstrom, wobei
der Thermogenerator elektrische Energie an die elektrische Einrichtung
liefert und somit für diese eine autarke Energiequelle
darstellt. Die Funktionsweise eines Thermogenerators ist jedoch
an sich bekannt, so dass an dieser Stelle nicht näher auf
sie eingegangen wird.
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Durch
den mit dem Thermogenerator zusammenwirkenden elektronischen Baustein
wird eine Stabilisierung der erzeugten Spannung erreicht, wodurch
zeitliche Schwankungen der vom Thermogenerator erzeugten Spannung
(die insbesondere durch Schwankungen des Temperaturgefälles,
das auf den Thermogenerator einwirkt, hervorgerufen sein können)
ausgeglichen werden, so dass der elektrischen Einrichtung eine im
Wesentlichen konstante Spannung zugeführt werden kann.
Die vom Thermogenerator gelieferte, näherungsweise konstante
Spannung ist so gewählt, dass sie der Arbeitsspannung der
zu versorgenden elektrischen Einrichtung entspricht. Hierzu kann
der elektronische Baustein so ausgebildet sein, dass er die vom Thermogenerator
erzeugte Spannung in eine höhere Spannung tranformiert.
Zusätzlich kann der elektronische Baustein Mittel zum Speichern
von Energie, die vom Thermogenerator erzeugt wird, aufweisen.
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In
einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der
Thermogenerator mikrotechnologisch hergestellt. Hierdurch wird ein
miniaturisierter Thermogenerator erzeugt, der besonders flexibel
verwendbar ist und zu einem kompakten Modulaufbau führt.
Insbesondere können zur Versorgung der elektrischen Einrichtung
selbstverständlich auch mehrere Thermogeneratoren gleichzeitig
betrieben werden, von denen zumindest einige elektrisch in Reihe
geschaltet sein können; es kann insbesondere vorgesehen
sein, dass einige der Thermoelemente in Reihe und einige parallel
geschaltet sind.
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Derartige
miniaturisierte Thermogeneratoren umfassen ein Substrat, auf dem
mikrotechnologisch erzeugte Strukturen ausgebildet sind. In einer
Ausgestaltung weist ein miniaturisierter Thermogenerator eine Substratfläche
im Bereich von 0,5 bis 25 mm2 auf. Die gesamte
Höhe (senkrecht zum Substrat einschließlich der
Substratdicke) des Thermogenerators liegt z. B. im Bereich von etwa
100 μm bis 1000 μm. Allerdings ist die Erfindung
selbstverständlich nicht auf Thermogeneratoren mit derartigen
Abmessungen beschränkt, andere Ausführungsformen
eines Thermogenerators (auch mit größeren oder
noch kleineren Abmessungen) können ebenfalls in dem erfindungsgemäßen
Modul verwendet werden.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist ein mikrotechnologisch
hergestellter Thermogenerator ausgebildet und vorgesehen, eine Spannung
zu erzeugen, wenn ein im Wesentlichen senkrecht zum Substrat verlaufendes
Temperaturgefälle auf ihn einwirkt (crossplane-Aufbau des
Thermogenerators). Diese Ausgestaltung hat insbesondere den Vorteil,
dass das zur Erzeugung elektrischer Energie genutzte Temperaturfeld
(Temperaturgradient) sich zwar durch das Substrat (d. h. durch thermoelektrisch
im Wesentlichen inaktives Material) senkrecht hindurch hinweg ausbreiten,
sich aber nicht über eine größere Länge
parallel zur Substratoberfläche im Substrat erstrecken
muss (wie in einem sog. in-plane-Aufbau eines Thermogenerators).
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Das
Temperaturfeld und ein durch das Temperaturfeld hervorgerufener
Wärmestrom erstreckt sich so nur über eine relativ
kleine Länge (entsprechend der Substratdicke, die im Bereich
von einigen 100 μm liegen kann) durch thermoelektrisch
inaktives Gebiet.
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In
einer besonders vorteilhaften Variante bilden die mikrotechnologisch
erzeugten Strukturen eine Mehrzahl von elektrisch miteinander verbundenen
Thermozellen, die jeweils mindestens ein erstes Element eines ersten
Leitungstyps und ein zweites Element eines zweiten Leitungstyps
aufweisen. Besonders bevorzugt sind das erste und das zweite Element
nebeneinander auf dem Substrat angeordnet. Das erste und das zweite
Element stellen in dieser Ausführungsform „Schenkel"
des Thermogenerators dar.
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Die
Elemente weisen ein thermoelektrisches Material auf, so dass die
Elemente (Schenkel) des Thermogenerators die thermoelektrisch aktiven
Bestandteile des Thermogenerators sind, in denen eine Umwandlung
thermischer Energie eines Wärmestroms, der durch ein Temperaturgefälle
erzeugt wird, in elektrische Energie erfolgt. Das aktive Material
(der Schenkel) des Thermogenerators ist in diesem cross-plane-Aufbau
auf dem Substrat ausgebildet und erstreckt nicht innerhalb des Substrats
wie in einem in-plane-Aufbau. Die Schenkel weisen beispielsweise
parallel zum Substrat einen rechteckigen Querschnitt auf; es sind
aber auch nahezu beliebige fototechnisch definierbare Querschnitte
sind möglich.
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Ein
Beispiel für ein mikrotechnologisch erzeugtes thermoelektrisches
Bauelement mit diesem Aufbau ist in der
DE 198 45 104 A1 beschrieben.
Hier wird das Bauelement zwar nicht als Thermogenerator sondern als
Kühlelement betrieben; es kann jedoch ohne Änderung
seines Aufbaus auch als Thermogenerator betrieben werden (indem
keine Spannung angelegt wird, um eine Temperaturdifferenz zu erzeugen,
sondern bei Vorhandensein einer Temperaturdifferenz eine Spannung
abgeleitet wird).
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Besonders
bevorzugt wird als thermoelektrisch aktives Material für
die Elemente der Thermozellen ein Material mit einem hohen thermoelektrischen
Koeffizienten gewählt, z. B. Bismuttellurid. Insbesondere
ist das erste Element p-dotiert und weist eine Legierung aus (Bi1-xSbx)2(Te1-ySey) auf, während
das zweite Element einer Thermozelle n-dotiert ist und z. B. die
gleiche Legierung wie das erste Element aufweist. Die genannten Legierungen
besitzen im Temperaturbereich von ca. –10°C bis
200°C eine im Vergleich mit anderen thermoelektrischen
Materialien hohe thermoelektrische Effektivität.
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In
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der
Thermogenerator ausgebildet und vorgesehen, mit einer Wärmequelle
und einer Wärmesenke derart thermisch gekoppelt zu werden,
dass ein Wärmestrom zwischen der Wärmequelle und
der Wärmesenke im Wesentlichen senkrecht zum Substrat und dabei
durch die ersten und zweiten Elemente fließt. Somit kann
der (miniaturisierte) Thermogenerator so mit der Wärmequelle
und der Wärmesenke verbunden werden, dass zwischen unterschiedlichen
Ebenen der Elemente (senkrecht zum Substrat) einer Thermozelle eine
Temperaturdifferenz auftritt, wodurch ein senkrecht zum Substrat
fließender Wärmestrom durch die Elemente hervorgerufen
wird. Der Wärmestrom verläuft hierbei nahezu ausschließlich
durch die Elemente und z. B. nicht zwischen ihnen.
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Zum
Ankoppeln an die Wärmesenke weist der Thermogenerator vorteilhafterweise
einen Wärmetauscher auf. Hierbei führt der Thermogenerator über
getrennte Medien Wärme z. B. an einen anderen Festkörper (z.
B. einen Kupferblock), an ein Gas (Luft), an eine Flüssigkeit
oder an ein Wärmeleitrohr ab. Der Wärmetauscher-Bereich
des Thermogenerators stellt somit die Kaltseite des Thermogenerators
dar.
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Der
elektronische Baustein zur Stabilisierung der vom Thermogenerator
erzeugten Spannung weist bevorzugt Mittel zur Überwachung
und/oder Mittel zum Transformieren der vom Thermogenerator erzeugten Spannung
auf. Zusätzlich können auch Mittel zur Speicherung
vom Thermogenerator erzeugter elektrischer Ladung vorhanden sein.
Ein derartiger Ladungsspeicher nimmt elektrische Energie auf, wenn
sie nicht von der zu versorgenden elektrischen Einrichtung benötigt
wird. Somit ist es möglich, elektrische Energie an die
elektrische Einrichtung auch dann zu liefern, wenn am Thermogenerator
(vorübergehend) kein Temperaturgefälle anliegt
und vom Thermogenerator selbst keine oder wenig elektrische Energie
erzeugt wird.
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Zusätzlich
kann der elektronische Baustein Mittel zur Umpolung der vom Thermogenerator
erzeugten Spannung aufweisen. Hierzu kann eine elektronische Polwender-Schaltung
vorhanden sein, die sicherstellt, dass auch im Falle einer Umkehr
des auf den Thermogenerator einwirkenden Temperaturgradienten – was
mit einer Umpolung der vom Thermogenerator selbst erzeugten Spannung
einhergeht – die an die zu versorgende elektrische Einrichtung
gelieferte Spannung ihre Polarität beibehält.
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In
besonders bevorzugter Weise sind der Thermogenerator und der elektronische
Baustein in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, d. h.
in ein Gehäuse integriert. Hiermit wird ein kompaktes Energieversorgungsmodul
bereitgestellt, das insbesondere durch eine mikrotechnologische
Herstellungsweise des Thermogenerators sehr kompakt ausgeführt
werden kann, z. B. mit Abmessungen im Bereich von einigen Millimetern.
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Zur
Fernüberwachung kann das Modul eine Kommunikationseinrichtung
(wie z. B. einen RF-ID-Transponder) aufweisen, mittels derer Daten
vom Modul oder zum Modul z. B. von einer externen Überwachungseinrichtung
gesendet werden können, z. B. um eine Einstellung von Betriebsparametern
vorzunehmen.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung eine Vorrichtung mit einer elektrischen Einrichtung
und einem wie oben beschriebenen Modul zur Energieversorgung der
elektrischen Einrichtung.
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In
einer besonderen Weiterbildung weist diese Vorrichtung Anpassungsmittel
auf, die die Energiezufuhr vom Modul zur elektrischen Einrichtung
in Abhängigkeit von einer momentanen vom Modul der elektrischen
Einrichtung zur Verfügung stellbaren Energiemenge steuern.
Besonders bevorzugt wird die Energiezufuhr in Abhängigkeit
von einer momentan am Modul zur Verfügung stehenden Stromstärke
gesteuert.
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Hierzu
sind die Anpassungsmittel bevorzugt ausgebildet, die Energiezufuhr
vom Modul zur elektrischen Einrichtung derart zu steuern, dass die
Energie des Moduls dem Verbraucher in zeitlichen Intervallen zugeführt
wird. Hierbei kann die Länge der zeitlichen Intervalle
in Abhängigkeit einer momentan vom Modul der elektrischen
Einrichtung zur Verfügung stellbaren Stromstärke
eingestellt werden. Beispielsweise werden die Zeitintervalle relativ
lang eingestellt, wenn der Thermogenerator eine ausreichende Energiemenge
zur Verfügung stellen kann. Dies bedeutet, dass die vom
Thermogenerator und ggf. von einem im elektronischen Baustein vorhandenen
Ladungsspeicher erzeugte Stromstärke ausreichend ist, d.
h. z. B. einen voreinstellbaren Wert überschreitet.
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Wird
die Energie knapp, d. h. die insgesamt vom Thermogenerator abgegebene
Stromstärke ist gering (z. B. unterschreitet sie einen
voreinstellbaren Wert) werden die Zeitintervalle, in denen Energie
an die elektrische Einrichtung geliefert wird, verkürzt.
Damit ist sichergestellt, dass die elektrische Einrichtung seine
Funktion auch bei sich verändernder Temperatureinwirkung
auf den Thermogenerator erfüllen kann und insbesondere
ein länger andauernder Ausfall der elektrischen Einrichtung
vermieden wird.
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Zusätzlich
können die Anpassungsmittel auch die zeitlichen Abstände
zwischen den Intervallen, in denen der elektrischen Einrichtung
Energie zugeführt wird, anpassen, z. B. bei nur schwacher
Stromstärke am Thermogenerator größere
Abstände etwa zwischen Messintervallen vorsehen, wenn die
zu vorsorgende elektrische Einrichtung ein Messinstrument ist.
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In
besonders bevorzugter Weise ist die elektrische Einrichtung ein
elektrisches Messinstrument, das z. B. ausgebildet ist, Temperatur,
Druck, Durchflussmenge eines Mediums und/oder mechanische Schwingungen
eines Gegenstandes zu messen. Für derartige Messinstrumente
ist eine autarke Energieversorgung besonders interessant, da sie
in vielen Bereichen der industriellen Prozesskontrolle und der industriellen
Steuerung eingesetzt werden, wobei sie insbesondere zur dezentralen
Messung der erwähnten Eigenschaften Temperatur, Schwingungen,
Druck dienen. Im Bereich der Antriebstechnik können zusätzlich
z. B. anhand einer Temperaturmessung bestimmte Zustände
wie Stillstand oder Überhitzung angezeigt werden. Mittels
einer Schwingungsmessung kann z. B. ein rotierendes Maschinenteil
auf seinen Zustand hin überprüft werden, um dadurch
frühzeitig Maschinenausfälle zu verhindern.
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Beispielsweise
kann das Messinstrument ausgebildet sein, Schwingungen einer bewegten
Masse zu bestimmen (z. B. Zug-Bremse, insbesondere ICE Bremse oder
Zug-Rad, insbesondere ICE Rad). Weitere Varianten für ein
Messinstrument sehen vor, dass es Temperaturen zwischen einem Schmiermittel
eines Motors und der Umgebung des Schmiermittels bestimmt, oder
ein Wärmefluss gemessen werden kann.
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Durchflussmengenmesser,
Füllstandssensoren sowie elektronische Heizkostenverteiler
u. ä. Messsysteme sind vielfach an Stellen eingebaut, an
denen lokale Temperaturgefälle auftreten. So besteht z.
B. bei einem elektronischen Heizkostenverteiler eine Temperaturdifferenz
zwischen einer warmen Heizkörperoberfläche (an
dem der elektronische Heizkostenverteiler angebracht ist) und der
umgebenden Raumluft. Hierfür können verschiedene
Messverfahren zum Einsatz kommen, z. B. die Coriolis-Massendurchflussmessung,
die Wirbelzähler-Durchflussmessung, Ultraschallmessung
oder die Verwendung thermoelektrischer Sensoren.
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Bei
Durchflussmengenmessern existieren insbesondere dann Temperaturgefälle,
wenn das strömende Medium eine andere Temperatur als ein
angrenzendes Medium aufweist. Ein weiteres Beispiel für
lokale Temperaturdifferenzen stellen Motoren, Getriebemotoren und
generell Getriebe dar. Bei einem Getriebe besteht z. B. zwischen
einem Getriebeöl, das zum Betrieb eines inneren Getriebeteils
vorhanden ist, aufgrund von Reibungswärme ein Temperaturgefälle
vom Getriebeöl zu seiner Umgebung auf.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Figur genauer erläutert. Die Figur
zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Stromversorgungsmoduls.
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Genauer
zeigt die Figur ein Modul 1 mit einem mikrotechnologisch
hergestellten Thermogenerator 2, mit dem unter Einwirkung
eines Temperaturgefälles eine Spannung zur Versorgung einer
elektrischen Einrichtung, z. B. eines Messgerätes, erzeugt
werden kann. Um ein Temperaturgefälle über dem
Thermogenerator zu erzeugen, steht der Thermogenerator 2 in
Wärmekontakt einerseits mit einer Wärmequelle
in Form eines Wärmereservoirs 3 und andererseits
mit einer Wärmesenke 4.
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Die
thermische Ankopplung des Thermogenerators 2 an das Wärmereservoir 3 bzw.
an die Wärmesenke 4 erfolgt jeweils über
einen z. B. aus Kupfer gebildeten Wärmeverteiler (heat
spreader) 5, der den Thermogenerator 2 mit dem
Wärmereservoir 3 und der Wärmesenke 4 (thermisch
und mechanisch) verbindet. Die Wärmeverteiler 5 weisen
jeweils einen verbreiterten, an die Abmessungen des Wärmereservoirs 3 bzw.
der Wärmesenke 4 angepassten Bereich 51 sowie
einen (gegenüber dem Bereich 51 schmaleren) dem
Thermogenerator 2 zugewandten Bereich 52 auf,
der den Abmessungen des Thermogenerators 2 angepasst ist.
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Der
Thermogenerator 2 umfasst ein erstes Substrat 21 sowie
ein parallel zum ersten Substrat angeordnetes zweites Substrat 22,
wobei auf den Substraten 21, 22 Strukturen ausgebildet
sind, die thermoelektrisch aktive Zellen (Thermozellen) bilden (nicht
dargestellt). Die Wärmeverteiler 5 sind jeweils über
ihren Bereich 52 mit einer Seite 211 des ersten
Substrats 21 bzw. mit einer (der Seite 211 abgewandten)
Seite 221 des zweiten Substrates 22 thermisch
mit dem Thermogenerator 2 verbunden. Die thermische Ankopplung
des Thermogenerators 2, d. h. seiner Seiten 211, 221,
zu den Wärmeverteilern 5 (und auch die Ankopplung
der Bereiche 51 der Wärmeverteiler an das Wärmereservoir 3 bzw.
an die Wärmesenke 4) erfolgt derart, dass der Wärmewiderstand
möglichst gering ist. Dies kann z. B. über ein
geeignetes Lotmaterial, z. B. ein Flüssigmetall, erreicht
werden.
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Das
Wärmereservoir 3 umfasst einen mit einem heißen
Medium 31 (Gas oder Flüssigkeit) gefüllten Behälter.
Die Wärmesenke 4 weist einen z. B. aus Kupfer
gebildeten (massiven) Körper 43 auf, der eine
Mehrzahl längserstreckter Strukturen 41 aufweist,
die sich strahlenförmig von einer dem Thermogenerator 2 zugewandeten
Grundstruktur 42 erstrecken. Die längserstreckten
Strukturen 41 sorgen für eine große Oberfläche des
Körpers 43, wodurch der Körper 43 vom
Thermogenerator 2 aufgenommene Wärme gut wieder
ableiten kann (z. B. an die Umgebung oder an ein Wärme
aufnehmendes Reservoir).
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Durch
die thermische Kopplung des Thermogenerators
2 einerseits
an das Wärmereservoir
3 und andererseits an die
Wärmesenke
4 entsteht ein auf den Thermogenerator
2 einwirkendes
Temperaturgefälle, das einen Wärmestrom hervorruft,
der den Thermogenerator
2 im Wesentlichen senkrecht zu
den Substraten
21,
22 durchfließt. Der
Wärmestrom ruft am Thermogenerator
2 eine elektrische
Spannung hervor, die am Thermogenerator abgegriffen und, wie erwähnt,
zur Versorgung einer im Prinzip beliebigen elektrischen Einrichtung (nicht
dargestellt) zugeführt werden kann. Zusätzlich
ist eine Elektronik vorhanden (nicht dargestellt), die für eine
Stabilisierung der vom Thermogenerator erzeugten Spannung sorgt. Bezugszeichenliste
| 1 | Modul |
| 2 | Thermogenerator |
| 21 | erstes
Substrat |
| 211 | Seite |
| 22 | zweites
Substrat |
| 221 | Seite |
| 3 | Wärmereservoir |
| 31 | Medium |
| 4 | Wärmesenke |
| 41 | längserstreckte
Struktur |
| 42 | Grundstruktur |
| 43 | Körper |
| 5 | Wärmeverteiler |
| 51, 52 | Bereich |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19623729
C2 [0004]
- - DE 10031782 A1 [0004]
- - DE 19845104 A1 [0017]