DE102008031266A1

DE102008031266A1 - Thermogenerator

Info

Publication number: DE102008031266A1
Application number: DE102008031266A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Kluge; Thomas Dr.-Ing. Becker
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2028-07-03
Also published as: DE102008031266B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes, bei dem eine erste Generatoroberfläche mit Mitteln versehen ist, die eine möglichst verzögerungsarme Anpassung der Generatoroberflächentemperatur an die Umgebungstemperatur bewirken, während eine zweite Generatoroberfläche mit Mitteln versehen ist, die eine möglichst verzögerte Anpassung der Generatoroberflächentemperatur an die Umgebungstemperatur bewirken, wobei diese Mittel im wesentlichen den gleichen zeitlich sich verändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind. Dies ermöglicht die Ausnutzung der sich verändernden Umgebungstemperaturen zur Erzeugung elektrischer Energie.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen zwei Generatoroberflächen des Thermogenerators.
Ein derartiger Thermogenerator ist beispielsweise aus der Druckschrift WO 99/04439 bekannt. Der zugrundeliegende Seebeck-Effekt entsteht zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen und bewirkt eine elektrische Spannung zwischen diesen Punkten. Dazu ist es nötig, zwei sich gegenüberliegende „Generatoroberflächen” unterschiedlichen Temperaturen auszusetzen, wodurch durch Thermodiffusionsströme die Spannung zwischen den Kontakten erzeugt wird. Dazu wird die eine Generatoroberfläche an ein relativ kaltes Medium angebunden während die zweite Generatoroberfläche an ein relativ dazu warmes Medium angebunden wird, d. h. der Thermogenerator wird so angeordnet, dass eine möglichst hohe Temperaturdifferenz zwischen den beiden Generatoroberflächen entsteht. Eine mögliche Anwendung ist die Montage eines Thermoelements im Bereich der Außenhaut eines Flugzeugs, wobei die eine Generatoroberfläche in der Nähe der Umgebungstemperatur des Flugzeugs liegt während die andere Generatoroberfläche der wesentlich höheren Innentemperatur des Flugzeugs ausgesetzt wird. Die herkömmlichen Generatoren gehen dabei im allgemeinen von statischen Bedingungen aus, d. h. es wird eine Seite stetig einer bewußt niedrigeren und die andere Seite einer höheren Temperatur ausgesetzt, wodurch ein stetiger elektrischer Strom entsteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Erzeugung eines elektrischen Stroms mit geringstmöglichen Mitteln bei sich zeitlich verändernden Umgebungstemperaturen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnungen.
Die Erfindung ermöglicht die Ausnutzung sich zeitlich verändernder Umgebungsbedingungen, beispielsweise einer stetigen Erwärmung oder Abkühlung zur Erzeugung elektrischer Energie, die beispielsweise für Sensoren oder ähnliche Bauteile geringen Energiebedarfs benutzt werden kann. Dadurch wird die häufig aufwendige und anfällige Zuleitung elektrischer Energie über Kabel vermieden. Solche Bedingungen treten beispielsweise bei dem Steig- oder Sinkflug eines Flugzeuges auf, da in einer Höhe von über 10.000 Metern Temperaturen im Bereich von minus 50° bis 70° Celsius herrschen. Geht ein Flugzeug aus dieser Höhe bzw. bei dieser Temperatur in den Sinkflug über, so steigt dabei die Umgebungstemperatur bis hin zu den Bodentemperaturen. Die erfindungsgemäße Merkmalskombination dient nun dazu, dass die eine Generatoroberfläche den sich zeitlich verändernden Umgebungsbedingungen möglichst verzögerungsarm ausgesetzt wird, so dass diese Generatoroberfläche soweit wie möglich der Umgebungstemperatur entspricht oder folgt. Zugleich wird der Wärmefluß auf die zweite Generatoroberfläche soweit wie möglich behindert, um eine möglichst verzögerte Anpassung der Generatoroberflächentemperatur an die Umgebungstemperatur zu bewirken. Dadurch entsteht zwischen den beiden Generatoroberflächen eine Temperaturdifferenz, die wiederum zur Erzeugung elektrischer Energie solange nutzbar ist, bis auch die zweite Generatoroberfläche die Umgebungstemperatur dann näherungsweise erreicht.
Die Erfindung ermöglicht damit während der Phase sich zeitlich verändernder Umgebungsbedingungen (insbesondere Umgebungstemperaturen) die Erzeugung elektrischer Energie, die während dieser Betriebsphase dazu ausgenutzt werden kann, Verbraucher geringen Energiebedarfs wie Sensoren zu betreiben, die ohne externe Zuführungen elektrischen Stroms (z. B. Kabel) montiert werden können. Durch die Anbringung von Energiespeicherelementen wie Kondensatoren oder Akkumulatoren ist es auch möglich, einen Teil der nicht benutzten elektrischen Energie zwischen zu speichern.
Vorzugsweise sind die ersten Mittel zur Bewirkung einer möglichst verzögerungsarmen Anpassung der ersten Generatoroberflächentemperatur an die Umgebungstemperatur eine Beschichtung geringer Wärmekapazität und/oder hoher Wärmeleitfähigkeit. Hierfür eignen sich insbesondere Materialien wie Titan, Aluminium, Kupfer, Gold, Silber oder Verbindungen bzw. Legierungen davon.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind oberflächenvergrößernde Elemente auf der ersten Generatoroberfläche vorgesehen, beispielsweise Wärmeleitrippen, die einen erhöhten Wärmefluß von der Umgebung in die erste Generatoroberfläche bewirken.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Beschichtung vorgesehen ist, die zumindest an der äußeren Umgebungsgrenzfläche zur Umgebung hin porös ist und dadurch eine erhöhte Oberfläche bewirkt, die einen verbesserten Wärmeaustausch zwischen Umgebung und erster Generatoroberfläche bewirken. Eine Weiterbildung dieses Erfindungsgedanken sieht vor, dass die Porösität von der Generatoroberfläche hin zur Umgebungsgrenzfläche zunimmt. Denn der Luftstrom durch die offenen Poren nimmt zur Tiefe hin immer mehr ab.
Die wärmeleitende Beschichtung wird vorzugsweise mittels Aufdampfen, Sputtern, Abscheiden aus der Gasphase, Aufbringen von Gemischen oder selektivem Ätzen, Laserbearbeitung oder Sintern aufgebracht.
Vorzugsweise umfassen die Mittel zur Verzögerung der Temperaturanpassung der zweiten Generatoroberfläche mindestens ein Wärmespeicherelement hoher Wärmekapazität, das zwischen der Generatoroberfläche und der Umgebungsgrenzfläche angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Wärmespeicherelement nach außen zur Umgebungsgrenzfläche hin mit einer Schicht geringer Wärmeleitfähigkeit versehen, während zwischen dem Wärmespeicherelement und der Generatoroberfläche eine Schicht hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist, um einen möglichst hohen Wärmeabfluß in Richtung des Thermogenerators zu erreichen, wobei dieser Wärmeabfluß durch den Wärmegenerator selber in Richtung der anderen, ersten Generatoroberfläche hin erfolgt.
Vorzugsweise besteht das Wärmespeicherelement aus Aluminium, Titan oder ein Verbindung bzw. Legierung dieser Elemente.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schicht geringer Wärmeleitfähigkeit mindestens einen Hohlraum umfaßt, der entweder gasfrei (evakuiert) ist oder ein Gas niedrigen Druckes enthält und/oder mit Gas geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist, vorzugsweise mit Edelgas wie Argon.
Eine alternative Ausführung des Wärmespeicherelementes besteht darin, dieses als Phasenwechselelement (PCM-Element) auszubilden, das Wärme über einen Phasenwechsel (z. B. fest in flüssig) speichert. Derartige Elemente verwenden vorzugsweise Salze, Salzhydrate oder deren Gemische oder organische Verbindungen wie z. B. Paraffin um Wärme zu speichern.
Um die Umgebungsbedingungen auf die erste Generatoroberfläche möglichst verzögerungsarm und intensiv einwirken zu lassen, ist es ferner bevorzugt, Strömungsleitflächen vorzusehen. Entsprechend entgegengesetzt wirkende Strömungsleitflächen zur Fernhaltung der schnellen Einwirkung Umgebungsbedingungen können nach einem weiteren Aspekt der Erfindung auch auf der anderen Seite des Thermogenerators vorgesehen werden.
Besonders bevorzugt ist die Anwendung der Erfindung an einem Luftfahrzeug, wobei vorzugsweise an einem ausfahrbaren Flugzeugfahrwerk ein Funksensor mit erfindungsgemäßen Thermogenerator zur Stromversorgung angebracht ist. Alternativ kann die Erfindung auch an einem Weltraumfahrzeug, z. B. einem Satelli ten oder einem Landefahrzeug angebracht werden, wobei dann die sich zeitlich verändernden Strahlungsbedingungen die Umgebungsbedingungen bilden, also die erste Generatoroberfläche der Strahlung ausgesetzt wird und die zweite Generatoroberfläche nicht. Auch an einem Unterwasserfahrzeug wie einem Unterseeboot kann die Erfindung vorgesehen werden, da die Wassertemperatur zumindest im oberflächennahen Bereich stark variiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen sowie der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt:
1: eine schematische Ausschnittdarstellung einer Ausführungsform der Erfindung;
2: eine schematische Ausschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
3: eine schematische Ausschnittdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
In 1 ist ein Thermogenerator 10 dargestellt, der ein Thermoelement 12 mit einer ersten Generatoroberfläche 14 und einer zweiten Generatoroberfläche 16 umfasst. Auf der ersten Generatoroberfläche 14 ist ein Wärmeleitelement 18 thermisch leitend angebracht, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Wärmekapazität aufweist. Zusätzlich sind am Wärmeleitelement 18 Wärmeleitrippen 20 angeformt, um die Oberfläche des Wärmeleitelements 18 zu vergrößern und damit den Wärmefluß aus der Umgebung im Bereich 22 zur ersten Generatoroberfläche 14 hin zu vergrößern.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Thermoelements 12 ist die zweite Generatoroberfläche 16 mit einer dünnen wärmeleitenden Schicht 24 versehen, auf der ein Wärmespeicherelement 26 mit einer möglichst hohen Wärmekapazität und vorzugsweise auch geringer Wärmeleitfähigkeit angebracht ist. Gegenüber der Umgebung 28 ist das Wärmespeicherlement 26 mit einer wärmeisolierenden Isolationsschicht 30 versehen.
Schematisch sind an den Enden des Thermoelements 12 zwei Kontakte 32a, 32b dargestellt, über die bei einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten Generatoroberfläche 14 und der zweiten Generatoroberfläche 16 ein Strom ableitbar ist.
Im Betrieb sind die Umgebungsbedingungen, insbesondere die Temperatur in den Bereichen 22 und 28 gleich bzw. soweit diese sich verändern, verändern sie sich in den Bereichen 22 und 28 gleichermaßen. Ausgegangen wird von einem statischen Zustand, bei dem die beiden Generatoroberflächen 14 und 16 die gleiche Temperatur aufweisen und damit keine Spannung zwischen den Kontakten 32a, 32b entsteht. Wenn nur angenommen die Temperatur in den Bereichen 22 und 28 ansteigt, so führt das dazu, dass die erhöhte Temperatur aufgrund der großen Oberfläche des Wärmeleitelements 18 einen sofortigen Wärmestrom bewirkt und damit eine schnelle Aufheizung der ersten Generatoroberfläche 14. Gleichzeitig tritt wegen der wesentlich geringeren Wärmeleitfähigkeit der Isolationsschicht 30 ein wesentlich kleinerer Wärmestrom in die dem Umgebungsbereich 28 zugewandte Seite des Thermogenerators 10 ein. Der Wärmestrom bewirkt nun zunächst eine Aufheizung des Wärmespeicherelements 26, so dass dessen innere Seite den Wärmestrom nur mit erheblicher Verzögerung weiterleitet und damit eine Aufheizung der zweiten Generatoroberfläche 16 deutlich verzögert eintritt. Dadurch entsteht zwischen den beiden Generatoroberflächen 14 und 16 eine Temperaturdifferenz, die eine Spannung zwischen den Kontakten 32a, 32b bewirkt, die zur Stromversorgung von Verbrauchern verwendbar ist.
Diese Ausführungsform der Erfindung wurde für eine zunehmende Umgebungstemperatur in den Bereichen 22, 28 beschrieben. Im Fall absinkender Temperaturen ist die Funktion analog.
In 2 ist eine Ausführungsform schematisch dargestellt, bei der auf der ersten Generatoroberfläche 14 des Thermoelements 12 eine Wärmeleitschicht 30 angebracht ist, die als poröse Metalldünnschicht ausgebildet ist. Dabei nimmt die Porösität von innen nach außen hin zu, wodurch die für den Wärmeübergang wirksame Oberfläche zunimmt. Der gegenüberliegende Aufbau der zweiten Generatoroberfläche 16 ist in 2 nicht dargestellt.
In 3 ist wiederum nur der Aufbau des Thermogenerators 10 auf der zweiten Generatoroberfläche 16, nicht jedoch der auf der ersten Generatoroberfläche 14 dargestellt. Auf der wärmeleitenden Schicht 24 ist eine Lage PCM-Materials 40 angebracht, das wiederum mit einer Isolationsschicht 30 versehen ist. Die Funktion ist im wesentlichen wie die der Ausführung von 1 mit dem Unterschied, dass der über die Isolationsschicht 30 erfolgende Wärmestrom einen Phasenübergang des PCM-Materials bewirkt (insbesondere ein Schmelzen einer vorher festen Phase).
In diesen Beispielen wurde stets ein Wärmestrom über Wärmeleistung erläutert. Alternativ wäre erfindungsgemäß ein Wärmestrom über Strahlungseinwirkung anwendbar, wobei die erste Generatoroberfläche 14 der Strahlung möglichst umfassend ausgesetzt wird während die zweite Generatoroberfläche 16 gegenüber der Strahlung abgeschottet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 99/04439 [0002]

Claims

Thermogenerator unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes zur Erzeugung elektrischer Energie unter Ausnutzung der Temperaturdifferenz zwischen zwei Generatoroberflächen (14, 16) des Thermogenerators (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine erste der Generatoroberflächen (14) mit ersten Mitteln (18, 20, 30) versehen ist, die eine möglichst verzögerungsarme Anpassung der Generatoroberflächentemperatur an die Umgebungstemperatur bewirken während eine zweite der Generatoroberflächen (16) mit zweiten Mitteln (24, 26, 30) versehen ist, die eine möglichst verzögerte Anpassung der Generatoroberflächentemperatur an die Umgebungstemperatur bewirken, wobei die ersten und zweiten Mittel im wesentlichen den gleichen zeitlich sich verändernden Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
Thermogenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Beschichtung (18, 30) geringer Wärmekapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit umfassen.
Thermogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (20) oberflächenvergrößernde Elemente umfassen, insbesondere Wärmeleitrippen.
Thermogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel eine Beschichtung (30) umfassen, die an der äußeren Umgebungsgrenzfläche offenporig porös ist.
Thermogenerator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Beschichtung (30) von der Generatoroberfläche hin zur Umgebungsgrenzfläche zunimmt.
Thermogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (18, 20, 30) im wesentlichen aus Metall bestehen, vorzugsweise aus Ti, Al, Cu, Au, Ag oder Verbindungen bzw. Legierungen davon.
Thermogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Mittel (18, 20, 30) durch eines der folgenden Verfahren auf die erste Generatoroberfläche (14) aufgebracht sind: Aufdampfen, Sputtern, Abscheiden aus der Gasphase, Aufbringen von Gemischen und selektives Ätzen des Opfermaterials, Laserbearbeitung, Sintern.
Thermogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Mittel mindestens ein Wärmespeicherelement (26) hoher Wärmekapazität umfassen, das zwischen der zweiten Generatoroberfläche (16) und der Umgebungsgrenzfläche angeordnet ist.
Thermogenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (26) aus Al, Ti oder einer Verbindungen bzw. Legierungen davon besteht.
Thermogenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherelement (26) ein Phasenwechsel-Element (40) umfasst, das Wärme über einen Phasenwechsel speichert.
Thermogenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmespeicherelement (26) und der Umgebungsgrenzfläche eine Schicht (30) geringer Wärmeleitfähigkeit angeordnet ist.
Thermogenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) geringer Wärmeleitfähigkeit aus einem Dielektrikum, insbesondere SiO₂, Si₃N₄ und/oder einem Polymer, besteht.
Thermogenerator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (30) geringer Wärmeleitfähigkeit einen Hohlraum umfasst.
Thermogenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum evakuiert ist oder mit Gas geringer Wärmeleitfähigkeit gefüllt ist.
Thermogenerator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wärmespeicherelement (26) und der Generatoroberfläche (14) eine Schicht (24) hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen ist.
Thermogenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, die eine verzögerungsarme Einwirkung der Umgebungsbedingungen auf die ersten Mittel bewirken, insbesondere Strömungsleitflächen oder Lichtreflektionsflächen
Verwendung des Thermogenerators nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem Luftfahrzeug.
Verwendung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermogengerator an einem ausfahrbaren Flugzeugfahrwerk oder dem Start- bzw. Landeklappensystem angebracht ist und einen Funksensor des Flugzeugfahrwerkes oder des Start- bzw. Landklappensystems mit elektrischer Energie versorgt.
Verwendung des Thermogenerators nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem Weltraumfahrzeug wobei die Umgebungsbedingungen Strahlungsenergien umfassen, die auf den Thermogenerator einwirken.
Verwendung des Thermogenerators nach einem der vorhergehenden Ansprüche an einem Unterwasserfahrzeug.