DE1269217B

DE1269217B - Thermoelectric generator

Info

Publication number: DE1269217B
Application number: DEP1269A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ludwig Huber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1964-10-14
Filing date: 1964-10-14
Publication date: 1968-05-30

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.:Int. Cl .:

HOIvHOIv

Deutsche Kl.: 21b-27/02 German class: 21b -27/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:Number:
File number:
Registration date:
Display day:

P 12 69 217.0-33
14. Oktober 1964
30. Mai 1968P 12 69 217.0-33
October 14, 1964
May 30, 1968

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator, bei dem die heißen Lötstellen der Thermoelemente in einer Fläche angeordnet sind und einen als Heizquelle dienenden Brenner umschließen, dessen Wärmestrahlung sie ausgesetzt sind. Bekannte Geräte dieser Art arbeiten mit Beheizung durch eine kontinuierlich brennende Flamme und haben einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad. Dieser ist darauf zurückzuführen, daß die Abgase einer kontinuierlichen Verbrennung an der Wärmetauschfläche eine Grenzschicht bilden, die den Wärmeübergang behindert. Bei einigen Ausführungsformen sind zusätzlich die Thermoelemente den verschmutzenden, reduzierenden oder oxydierenden Einflüssen der Verbrennung ausgesetzt.The invention relates to a thermoelectric generator in which the hot solder joints of the Thermocouples are arranged in a surface and enclose a burner serving as a heating source, whose thermal radiation they are exposed to. Known devices of this type work with heating by a continuously burning flame and have a relatively poor efficiency. This is due to the fact that the exhaust gases undergo continuous combustion form a boundary layer on the heat exchange surface that hinders the transfer of heat. In some embodiments In addition, the thermocouples are the polluting, reducing or oxidizing ones Exposed to the effects of combustion.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei thermoelektrischen Generatoren, die durch eine Verbrennung beheizt werden, den Wärmeübergang zu verbessern.The object of the invention is, in the case of thermoelectric generators, which are heated by combustion to improve the heat transfer.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Brenner ein Schwingbrenner ist. Die Thermoelemente umschließen ihn berührungsfrei.According to the invention, the object is achieved in that the burner is a vibrating burner. the Thermocouples surround it without contact.

Ein Schwingbrenner, wie z. B. die österreichische Patentschrift 170 523 zeigt, stellt einen Helmholtzschen Resonator dar, an dessen Brennkammer sich ein Schwingrohr ventillos anschließt. Der Schwingbrenner saugt mit seiner Eigenfrequenz Brennstoff und Luft an, das Gemisch dieser Stoffe verpufft und die Abgase werden ausgestoßen. Bei diesem Vorgang nimmt nicht nur die Brennkammer, sondern insbesondere das Schwingrohr eine hohe Temperatur an; der Wärmeübergang von den Verbrennungsgasen auf das Schwingrohr ist wegen der Hin- und Herschwingung der Gasmassen und der damit verbundenen Ablösung der Grenzschicht besser als bei kontinuierlicher Verbrennung. Außerdem steht am Ausgang des Schwingbrenners eine kinetische Energie der Abgase zur Verfügung, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung ausgewertet werden kann, und zur Förderung von Brennstoff und Luft genügt die Energie des Schwingungsvorganges.A swinging burner, such as B. the Austrian patent specification 170 523 shows, represents a Helmholtz Resonator, to the combustion chamber of which an oscillating tube is connected without valves. The swing burner sucks in fuel and air at its natural frequency, the mixture of these substances evaporates and the exhaust gases are emitted. During this process not only takes the combustion chamber, but in particular the oscillating tube reaches a high temperature; the heat transfer from the combustion gases on the oscillating tube is because of the back and forth oscillation of the gas masses and the associated Separation of the boundary layer better than with continuous combustion. It also says at the exit of the oscillating burner a kinetic energy of the exhaust gases available, which in the context of the present Invention can be evaluated, and for the promotion of fuel and air is sufficient Energy of the oscillation process.

Die Halbleiterschenkel aufweisenden Thermoelemente durchsetzen zweckmäßig einen keramischen Mantel. Da die Verbrennungsgase innerhalb des Schwingbrenners verbleiben, braucht dieser keramische Mantel nicht dicht zu sein. Vorzugsweise hat er eine zylindrische Gestalt. Die Thermoelementenschenkel werden außen und innen über Platten verbunden, die untereinander nur solche Spalte frei lassen, wie sie zur gegenseitigen Isolierung erforderlich sind. Die Platten dienen gleichzeitig zum Wärmeaustausch, d. h. innen zur Aufnahme der Wärmestrahlung und gegebenenfalls der Wärme-Thermoelektrischer GeneratorThe thermocouples having semiconductor legs expediently enforce a ceramic one A coat. Since the combustion gases remain inside the oscillating burner, it needs ceramic ones Coat not to be tight. Preferably it has a cylindrical shape. The thermocouple legs are connected outside and inside via panels that only free such gaps between each other as they are necessary for mutual isolation. The plates are also used for Heat exchange, d. H. inside to absorb the thermal radiation and, if necessary, the heat-thermoelectric generator

Anmelder:Applicant:

Dr.-Ing. Ludwig Huber,Dr.-Ing. Ludwig Huber,

7000 Stuttgart-Möhringen, Saarlandstr. 157000 Stuttgart-Möhringen, Saarlandstr. 15th

Als Erfinder benannt:
Dr.-Ing. Ludwig Huber,
7000 Stuttgart-MöhringenNamed as inventor:
Dr.-Ing. Ludwig Huber,
7000 Stuttgart-Möhringen

leitung über ein im Inneren enthaltenes Gas, und im äußeren zur Wärmeabfuhr, welche zur Kühlung der kalten Lötstellen erforderlich ist.line via a gas contained inside, and in the outside for heat dissipation, which is used to cool the cold solder joints is required.

Das Schwingrohr läßt man zweckmäßig zur Ausnutzung der kinetischen Energie der Abgase in eine Turbine ausmünden, die mit einem Kühlluftförderer gekuppelt ist, wobei beide Teile auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Der keramische Mantel wird vorzugsweise von einem die Kühlluft führenden Rohr umschlossen, und in diesem Falle tragen wenigstens die äußeren Platten wärmetauschende Fahnen.The oscillating tube can be expediently to utilize the kinetic energy of the exhaust gases in a Open out turbine, which is coupled to a cooling air conveyor, with both parts on a common Wave sit. The ceramic jacket is preferably a pipe that carries the cooling air enclosed, and in this case at least the outer plates carry heat-exchanging flags.

Weder die Lötstellen noch die Thermoelementenschenkel selber kommen mit den heißen Verbrennungsgasen in Berührung.Neither the soldering points nor the thermocouple legs themselves come with the hot combustion gases in touch.

Im allgemeinen wird bei der Verwendung eines Gebläses, das die Luft in das äußere Rohr drückt, in diesem ein Überdruck herrschen, so daß die Luft von außen durch den Keramikmantel nach innen strömt. Man kann aber auch zusätzlich den Innenraum an eine Unterdruckquelle anschließen.In general, when a fan is used to force the air into the outer tube, in this prevail an overpressure, so that the air from the outside through the ceramic jacket to the inside flows. But you can also connect the interior to a vacuum source.

In der Zeichnung ist ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für den Gegenstand der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigtAn advantageous exemplary embodiment for the subject matter of the invention is shown schematically in the drawing shown. It shows

Fig. 1 einen axialen Schnitt durch den thermoelektrischen Generator, wobei die Turbine und der Schalldämpfer nur teilweise geschnitten sind,Fig. 1 is an axial section through the thermoelectric Generator, with the turbine and the muffler only partially cut,

Fig. 2 einen Schnitt in einer radialen Ebene,2 shows a section in a radial plane,

F i g. 3 eine Abwicklung, welche die inneren Platten zeigt, die die Wärmestrahlung aufnehmen,F i g. 3 is a development showing the inner plates that absorb the thermal radiation,

Fig.4 einen nachgeschalteten Wärmeaustauscher sowieFig. 4 a downstream heat exchanger as

"Fig. 5 und 6 verschiedene Anordnungen der Thermoelemente im keramischen Mantel."Fig. 5 and 6 different arrangements of the Thermocouples in a ceramic jacket.

Fig. 1 zeigt eine Brennkammer 1, die im Betrieb über das Rückschlagventill Verbrennungsluft undFig. 1 shows a combustion chamber 1, which in operation via the check valve and combustion air

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über den Vergaser 3 Brennstoff in den vorgeschalteten konischen Mischraum ansaugt. An die Brennkammer 1 ist als Schwingrohr eine Rohrschlange 4 ventillos angeschlossen, deren Ende 5 im Betrieb die Verbrennungsgase an eine Radialturbine 6 tangential 5 und stoßweise abgibt. Die Windungen der Rohrschlange heizen sich durch Strahlung gegenseitig auf; wenn aber besonderer Wert auf ein gleichmäßiges Temperaturgefälle über die gesamte Länge der Einrichtung gelegt wird, so kann man die Schlange 4 gegen das Ende 5 auch mit abnehmender Steigung wickeln, wie dies dargestellt ist. Der Querschnitt der Rohrschlange wird durch die Abstimmung des Resonators festgelegt. Die Schaufeln? der die kinetische Energie ausnutzenden Radialturbine 6 sind so angeordnet, daß die Turbine von außen nach innen durchströmt wird. Die die Turbine verlassenden Abgase treten im Betrieb in einen Schalldämpfer 8 ein und verlassen diesen durch ein oder mehrere Rohre 9, deren Querschnitt auf den Schalldämpfer abgestimmt ist.3 sucks fuel into the upstream conical mixing chamber via the carburetor. To the combustion chamber 1 is a pipe coil 4 is connected valveless as an oscillating pipe, the end 5 of which in operation Combustion gases to a radial turbine 6 tangentially 5 and emits intermittently. The coils of the pipe coil heat each other up through radiation; but if special emphasis is placed on a uniform If the temperature gradient is laid over the entire length of the facility, the snake 4 wind towards the end 5 with a decreasing slope, as shown. The cross section of the Coiled pipe is determined by tuning the resonator. The shovels? the the kinetic Energy-utilizing radial turbine 6 are arranged so that the turbine from the outside to the inside is flowed through. The exhaust gases leaving the turbine enter a silencer 8 during operation and leave this through one or more pipes 9, the cross-section of which on the muffler is matched.

Die eben beschriebene Anordnung ist von einem Keramikmantel 10 umschlossen, der von Thermoelementen 11 durchsetzt ist, welche durch abwechselnd angeordnete p- und «-Schenkel gebildet werden. Der Keramikmantel ist durch Stirnwände 12,13 geschlossen. Innere Platten 15 und äußere Platten 16 schalten die Thermoelemente 11 in Reihe, wobei die äußeren Platten Kühlfahnen 17 tragen. Elektrische Leitungen 18, 19 führen die erzeugte Spannung an Anschlußstellen 20,21.The arrangement just described is enclosed by a ceramic jacket 10 which is penetrated by thermocouples 11, which are formed by alternately arranged p and legs. The ceramic jacket is closed by end walls 12, 13. Inner plates 15 and outer plates 16 connect the thermocouples 11 in series, with the outer plates carrying cooling flags 17. Electrical lines 18, 19 carry the generated voltage to connection points 20, 21.

Auf der Welle der Turbine 6 sitzt ein Lüfterrad 22, welches die Luft durch ein Gitter 23 ansaugt und in den Mantelraum 24 eines Rohres 25 hineinpreßt, das den Keramikmantel 10 umschließt. Auf diese Weise sind die Kühlfahnen 17 zwischen dem Keramikmantel 10 und dem Rohr 25 angeordnet und werden von der Luft bestrichen. An sich genügt bereits das Gebläse 22, um in dem Raum 24 einen Überdruck gegenüber dem Inneren des Keramikmantels 10 zu erzeugen. Die Luft wird dann, soweit Undichtigkeiten im Keramikmantel 10 bestehen, von außen nach innen strömen. Es genügt hierzu in den meisten Fällen, wenn das bei 26 gezeichnete Rohr in die Außenluft ausmündet. Man kann aber dieses Rohr, wie bei 27 angedeutet, auch unter die Ansaughaube 28 führen, wo durch die Arbeit des Rückschlagventils 2 ein ständiger Unterdruck erzeugt wird, falls dieser Ansaugraum durch eine Platte 28 a vom Raum 24 getrennt ist. Der Innenraum der Ansaughaube28 steht durch Bohrungen 286 und 28 c mit der Außenluft in Verbindung, und durch Verdrehen der Haube 28 kann man den Luftzutritt drosseln, um einen gewünschten Unterdruck zu erhalten. Zusätzlich ist es möglich, mittels einer Leitung 29 Luft oder Verunreinigungen aus dem Bock des Lagers 30 der Turbinen-Gebläse-Kombination 6,22 abzusaugen.A fan wheel 22 is seated on the shaft of the turbine 6, which sucks the air through a grille 23 and presses it into the jacket space 24 of a tube 25 which surrounds the ceramic jacket 10. In this way, the cooling fins 17 are arranged between the ceramic jacket 10 and the tube 25 and are swept by the air. In itself, the fan 22 is already sufficient to generate an overpressure in the space 24 with respect to the interior of the ceramic jacket 10. Insofar as there are leaks in the ceramic jacket 10, the air will then flow from the outside to the inside. In most cases it is sufficient for the tube shown at 26 to open into the outside air. However, as indicated at 27, this pipe can also be led under the suction hood 28, where the work of the check valve 2 generates a constant negative pressure if this suction space is separated from the space 24 by a plate 28 a. The interior of the intake hood 28 is connected to the outside air through bores 286 and 28 c, and by rotating the hood 28, the air inlet can be throttled in order to obtain a desired negative pressure. In addition, it is possible to suck air or contaminants out of the bracket of the bearing 30 of the turbine-blower combination 6, 22 by means of a line 29.

Man erkennt, daß der Mantel 10 durchaus nicht dicht zu sein braucht. Es genügt demgemäß, daß er aus einem elektrisch nicht leitenden, wärmeisolierenden und hitzefesten Stoff besteht. Innerhalb des Mantels kann durch Strahlungsgleichgewicht und durch Wärmeleitung eine Temperatur von etwa 1000° C auftreten.It can be seen that the jacket 10 need not be tight at all. It is therefore sufficient that he consists of an electrically non-conductive, heat-insulating and heat-resistant material. Within the Mantle can reach a temperature of approx 1000 ° C occur.

Die Kühlfahnen 17 werden zweckmäßig aus einem gut wärmeleitenden Stoff, wie z. B. Aluminium oder Kupfer, hergestellt. Im Bedarfsfalle können auch die innen liegenden Metallplatten 15 mit Wärmeaustauschrippen versehen werden.The cooling tabs 17 are expediently made of a highly thermally conductive material, such as. B. aluminum or Copper, manufactured. If necessary, the internal metal plates 15 can also have heat exchange ribs be provided.

Die für den Betrieb des Schwingbrenners notwendigen Teile zum Anlassen, zur Luftzufuhr, zur Brennstoffzufuhr, zum Mischen und zur Zündung sind in dem kühlen Raum außerhalb der Platte 28 α angeordnet, wogegen die Brennkammer 1 des Schwingbrenners den zylindrischen Keramikmantel 10 durchsetzt.The parts necessary for the operation of the oscillating burner for starting, for air supply, for Fuel supply, mixing and ignition are in the cool space outside the plate 28 α arranged, whereas the combustion chamber 1 of the oscillating burner has the cylindrical ceramic jacket 10 interspersed.

Die Abgase haben keine Gelegenheit, mit den Thermoelementen 11 in Berührung zu kommen, so daß Korrosionen und chemische Änderungen ausgeschlossen sind. Auch können die Flächen der Platten 15 nicht verschmutzen.The exhaust gases have no opportunity to come into contact with the thermocouples 11, so that corrosion and chemical changes are excluded. The areas of the Do not contaminate plates 15.

Fig. 3 zeigt abgewickelt die Anordnung der inneren Platten 15, die Öffnung 40 zum Durchführen der Brennkammer sowie die Stromzuführungen 18 und 19.Fig. 3 shows the developed arrangement of the inner plates 15, the opening 40 for passage the combustion chamber and the power supply lines 18 and 19.

In Fig. 1 wurde die linke Seite der Anordnung nicht geschlossen dargestellt. Daran kann sich eine Anordnung gemäß Fig. 4 anschließen.In Fig. 1, the left side of the arrangement not shown closed. This can be followed by an arrangement according to FIG. 4.

Ein oder mehrere Rohre 9 führen die Abgase aus dem ersten Schalldämpfer 8 in einen zweiten Schalldämpfer 41, der innerhalb einer Haube 42 angeordnet ist. Diese Haube ist über das Rohr 25 geschoben und dort in beliebiger Weise befestigt. Der zweite Schalldämpfer 41 trägt Kühlrippen 43 und entleert sich durch die Öffnung 44 in eine Heizschlange 45. Auf diese Weise wird die in dem Raum 24 aufgeheizte Luft weiterhin aufgeheizt. Die restliche Wärmeenergie wird auf die Luft übertragen und steht dann bei der Öffnung 46 der Haube 42 zu beliebiger Verwendung zur Verfügung. Verwendet man die Restwärme dazu, Luft zu heizen, so wird man diese in erster Linie für Heizzwecke verwenden. Man kann aber auch Wasser oder Öl heizen, und man kann die beheizten Medien zum Aufheizen von Schweröl, zum Aufheizen eines Maschinenblocks od. dgl., verwenden.One or more pipes 9 lead the exhaust gases from the first silencer 8 into a second silencer 41, which is arranged within a hood 42. This hood is pushed over the pipe 25 and attached there in any way. The second silencer 41 carries cooling fins 43 and drains through the opening 44 into a heating coil 45. In this way, the one in the space 24 is heated Air continues to be heated. The remaining heat energy is transferred to the air and is then available for any use at the opening 46 of the hood 42. If you use If the residual heat is used to heat air, it will primarily be used for heating purposes. Man but can also heat water or oil, and you can use the heated media to heat up Use heavy oil to heat up a machine block or the like.

Die noch vorhandene, nicht mehr merklich pulsierende Strömungsenergie kann in einem Ejektor 47 dazu benutzt werden, bei 48 einen Unterdruck zu erzeugen, den man zum Absaugen des Raumes innerhalb des Keramikmantels 10 oder zum Absaugen der Luft aus den Labyrinthdichtungen des Lagers 30 verwenden kann.The no longer noticeably pulsating flow energy that is still present can be fed into an ejector 47 be used to generate a negative pressure at 48, which is used to suck out the space within of the ceramic jacket 10 or for sucking the air out of the labyrinth seals of the bearing 30 can use.

F i g. 5 zeigt eine mögliche Art, den keramischen Mantel aufzubauen. In diesem Falle wird der keramische Mantel aus Ringen 50 und 51 gebildet, in deren Berührungsflächen zylindrische Hohlräume 52 vorgesehen sind, in welche die einzelnen Thermoelementenschenkel 11 eingepaßt werden. Man kann gemäß F i g. 6 auch Ringe 53, 54 verwenden, die mit flachen Vertiefungen 55 versehen sind, in welche die Thermoelemente, in diesem Falle als flache Scheiben oder Stäbchen 111, eingesetzt werden. Die Ringe 50, 51, 53, 54 können geschlitzt sein, und man kann auch Halbzylinder an Stelle der Ringe verwenden. Beim Gegenstand der Erfindung steht die gesamte elektrische Energie, die in der Thermosäule entsteht, zur freien Verwendung zur Verfügung, und der Bauaufwand für die Thermosäule wird gering, weil einerseits durch den Schwingbrenner eine hohe und räumlich gleichmäßige Wärmebelastung erzeugt wird und andererseits der Kühlstrom für die kalte Seite der Thermosäule ohne Inanspruchnahme einer Stromquelle allein durch die vom Schwingbrenner gelieferte kinetische Energie erzeugt wird. Die gleich-F i g. 5 shows one possible way of building up the ceramic jacket. In this case the ceramic Sheath formed from rings 50 and 51, in the contact surfaces of which cylindrical cavities 52 are provided into which the individual thermocouple legs 11 are fitted. One can according to FIG. 6 also use rings 53, 54 which are provided with shallow recesses 55 into which the Thermocouples, in this case as flat disks or rods 111, are used. The rings 50, 51, 53, 54 can be slotted, and half-cylinders can also be used in place of the rings. In the subject matter of the invention, all of the electrical energy generated in the thermopile is for free use available, and the construction cost for the thermopile is low because on the one hand, a high and spatially uniform heat load is generated by the oscillating burner and on the other hand the cooling flow for the cold side of the thermopile without using any Power source is generated solely by the kinetic energy supplied by the oscillating burner. The same-

mäßige Wärmebelastung wird trotz der pulsierenden Verbrennung durch die Wärmekapazität des Schwingrohres gewährleistet.moderate heat load is due to the heat capacity of the oscillating tube despite the pulsating combustion guaranteed.

Der Teil des Bauaufwandes einer Thermosäule, der im Betrieb Strom für den Antrieb einer Heizung oder eines Kühlventilators liefern müßte, erübrigt sich. Um diesen Betrag wird also die nutzbare Leistung des Generators heraufgesetzt.The part of the construction cost of a thermopile that generates electricity to drive a heater during operation or a cooling fan is unnecessary. This is the amount that can be used Generator output increased.

Zusätzlich kann die sonst durch einen Luftstrom weggeführte Wärme gemäß dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 nützlich ausgewertet werden.In addition, the heat otherwise carried away by an air flow can according to the exemplary embodiment the F i g. 4 useful to be evaluated.

Claims

Patent claims:

1. Thermoelectric generator, in which the hot soldering points of the thermocouples in one Surface are arranged and enclose a burner serving as a heat source, the heat radiation of which they are exposed, characterized in that the burner is an oscillating burner (1, 4). ao

2. Thermoelectric generator according to claim 1, characterized in that the Thermocouples (11) pass through a ceramic jacket (10).

3. Thermoelectric generator according to claim 2, characterized in that the ceramic Shell (10) is cylindrical.

4. Thermoelectric generator according to one of claims 1 or 2, characterized in that that the legs of the thermocouples (11) on the burner side via plates (15) together are connected, which lie in the plane surrounding the oscillating burner (1, 4) and are directly exposed to the heat radiation of the burner.

5. Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 4, characterized in that that the oscillating pipe (4) opens into a turbine (6) which is coupled to a cooling air conveyor (22) is.

6. Thermoelectric generator according to one of claims 2 to 5, characterized in that that the ceramic jacket (10) is enclosed by a pipe (25) carrying the cooling air.

7. Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the space surrounding the oscillating burner (1,4) is attached to the suction side (28) of the oscillating burner (1, 4) is connected.

8. Thermoelectric generator according to one of claims 1 to 6, characterized in that that the space surrounding the oscillating burner (1,4) is connected to one of the exhaust gas from the oscillating burner operated ejector (47) is connected.

Considered publications:

German Patent No. 83 170;

British Patent No. 574,816;

U.S. Patents Nos. 2,280,137, 3,081,275,
3129116;

"Electrical Engineering", Vol. 78, 1959, pp. 995 to 1002.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings