DE1195382B - Thermoelektrischer Generator - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIm

Deutsche Kl.: 21b-27/01-c^

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

C 21415 VIII c/21b
10. Mai 1960
24. Juni 1965

Thermoelektrische Generatoren sind bekannt. Auch solche, die aus einer doppelwandigen Verbrennungskammer bestehen, bei der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen um den Innenraum der Kammer herum jeweils in Gruppen zwischen der Innenwand und der Außenwand so angeordnet sind, daß die zu kühlenden Verbindungsstellen der Elemente nach außen und die zu erwärmenden nach innen liegen und die Elementgruppen mit den Wänden zusammen plattenartige Bauteile bilden. Der Innenraum besitzt an seinem einen Ende eine Heizvorrichtung und einen von seinem anderen geschlossenen Ende aus durch den Innenraum hindurchführenden und von den heißen Gasen in Richtung auf die Heizvorrichtung durchströmten Abzug.

Bei diesen bekannten thermoelektrischen Generatoren ist im allgemeinen die Betriebstemperatur über die gesamte axiale Länge der Thermoelemente nicht gleich, denn diese Generatoren haben entweder keinen gesonderten, an der gegenüberliegenden Seite des Brenners vorgesehenen Abzug für die Verbrennungsgase, oder der Innenraum zwischen den Thermoelementen wird in zwei parallelen Zügen, von denen der eine aufsteigend, der andere absteigend ist, von den Gasen durchflossen. Der untere Bereich der Thermoelementanordnung liegt dabei unmittelbar in der Nähe der Heizvorrichtung, so daß dieser Abschnitt wesentlich stärker erwärmt wird als der obere Abschnitt. Die Heizgase schaffen also keinen Ausgleich für die geringere untmittelbare Einwirkung in den oberen Abschnitten der Thermoelementanordnung. Durch eine solche Führung der Abgase wird vielmehr der Temperaturunterschied zwischen den unmittelbar erwärmten und den nur durch die Abgaseinwirkung erwärmten Bereichen noch verstärkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Generator zu schaffen, mit dem die einzelnen Thermoelemente gleichmäßig erwärmt werden, so daß sie über ihre gesamte axiale Länge eine gleichmäßige Temperatur besitzen.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Abzug für die Verbrennungsgase aus unmittelbar an die Innenwand anschließenden Kanälen besteht, die den Innenraum im wesentlichen frei lassen und von denen mindestens ein Kanal an jedem plattenartigen Bauteil vorgesehen ist.

Vorteilhaft werden dabei die Abzugkanäle mit dem jeweils zugehörigen plattenartigen Bauteil in an sich bekannter Weise als eine geschlossene Montageeinheit ausgebildet. Durch diese Ausbildung werden die am weitesten von der Heizvorrichtung abgelege-Thermoelektrischer Generator

Anmelder:

Carrier Corporation, Syracuse, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. H. Negendank, Patentanwalt,

Hamburg 36, Neuer Wall 41

Als Erfinder benannt:

Mostafa Talaat, Towson, Md. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 11. Mai 1959 (812170)

nen Teile der plattenartigen Bauteile durch Wärmeaustausch mit den heißesten Verbrennungsgasen geheizt, wobei die Verbrennungsgase ihre Wärme allmählich abgeben, während sie durch die Abzugkanäle zu dem Abschnitt der plattenartigen Bauteile hindurchströmen, der dem Brenner am nächsten liegt. Auf diese Weise stellt sich über die gesamte Fläche eines plattenartigen Bauteiles eine verhältnismäßig gleichmäßige Temperatur ein, und zwar unabhängig davon, daß die vom Brenner entfernt liegenden plattenartigen Teile wesentlich weniger der unmittelbaren Wärmeeinwirkung des Brenners ausgesetzt sind als diejenigen Teile, die im wesentlichen auf gleicher Höhe mit dem Brenner liegen.
Weiterhin kann der thermoelektrische Generator gemäß der Erfindung eine Steuereinrichtung besitzen, mit deren Hilfe eine der Ausgangsspannung des Generators proportionale Spannung erzeugt und diese Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird. Dabei sind Mittel zur Einstellung der Brennerleistung in Abhängigkeit von dem Verhältnis der beiden Spannungen vorgesehen. Die Verbindungen zwischen den einzelnen Thermoelementschenkeln bestehen jeweils abwechselnd aus einem Stück eines nach außen schalenförmig gewölbten federartigen Teiles sowie aus einem Kontaktkörper, der jeweils einen Schenkel eines durch das schalenförmige Teil verbundenen Paares mit einem Schenkel eines benachbarten Paares an dem vom schalenförmigen Stück abgekehrten Ende verbindet. Beim Einspannen der durch die schalenförmig ausgebildeten Teile verbundenen Elemente wird zwischen der Innen- und der Außenwand eines plattenartigen Bauteiles durch die federnden

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schalenförmigen Verbindungskörper ein Druck auf die Thermoelementschenkel ausgeübt.

Die Zeichnungen zeigen eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Generators nach der Erfindung.

F i g. 1 ist ein Schnitt durch den thermoelektrischen Generator der Erfindung;

F i g. 2 ist ein Teilschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1 und zeigt die Bauart des Vorwärmers;

F i g. 3 ist ein Teilschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1;

F i g. 4 ist ein Teilschnitt nach der Linie IV-IV der F i g. 3 und zeigt die Mittel zum Halten der thermoelektrischen Elemente in dem Generator;

F i g. 5 ist ein Schältschema der Steuermittel für den thermoelektrischen Generator.

In den Zeichnungen werden zur Bezeichnung entsprechender Teile gleiche Bezugszeichen verwendet.

Die F i g. 1 zeigt einen thermoelektrischen Generator mit einer äußeren Hülle 11, die beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann. Die thermoelektrischen Felder 12 bestehen, wie aus den F i g. 3 und 4 deutlicher hervorgeht, aus mehreren Platten 30 und 36, in denen sich die thermoelektrischen Elemente 33 befinden. Die Felder 12 sind so in dem Generator angeordnet, daß sie eine im wesentlichen vieleckige Figur bilden. Es kann jede beliebige Anzahl solcher Fehler verwendet werden, vorzugsweise kommen jedoch acht solcher Felder zur Bildung der senkrechten Wände in Frage, wie teilweise in der F i g. 3 gezeigt ist. Um den Raum innerhalb des Generators zum Erlangen der höchsten Leistungsfähigkeit auszunutzen, kann die Grundfläche 13, die in der F i g. 1 gezeigt ist, auch ein thermoelektrisches Feld aufweisen. Somit sind mehrere wärmeaustauschende Kanäle 14 vorgesehen, die mit der Platte aus einem Stück gebildet oder auch an ihr befestigt sein können und in denen die heißen Gase ihre Wärme an die thermoelektrischen Felder 12 abführen können. Es ist ferner eine Wärmequelle 15 mit veränderlicher Wärmeleistung, beispielsweise mit einem Brenner 70, vorgesehen, welcher Luft und einen geeigneten flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Öl, verwendet. Die Brennstoffzufuhr zu dem Brenner 70 wird durch Regeleinrichtungen 60, 61 eingestellt, die damit auch die Wärmeleistung der Wärmequelle 15 regeln.

Die wärmeaustauschenden Kanäle 14 erstrecken sich entlang der Felder 12 und münden, wie in der F i g. 1 gezeigt, in die Ablaßkanäle 16 in dem oberen Teil des Generators. Der obere Abschnitt 18 des Ablaßkanals 16 bildet einen Teil des Vorwärmers für die zum Brenner zugeführte Luft, in welchem das durch den Kanal 16 abgeführte Abgas noch weitere Wärme abgibt. Ein Luftkanal 21 führt Luft an den Brenner heran. Der obere Abschnitt 17 des Luftkanals 21 wird durch einen oberen Abschnitt des Abgaskanals 16 erwärmt. Der Luftkanal 21, der Verbrennungsluft zum Brenner 70 führt, ist in der F i g. 2 in vieleckiger Form und am Wärmeaustauscherabschnitt 17 angeordnet gezeigt. Um den Kanal 16 ist eine Wärmeisolierung 19 herumgelegt, und die in der Mitte des Abschnittes 17 gebildete Kammer ist mit einer Wärmeisolierung 20 ausgefüllt.

In der F i g. 2 ist der Vorwärmer im einzelnen gezeigt. Zwischen den Innenwänden 22 und 24 des Luftkanals 21 ist eine innere gewellte Wand 23 angeordnet, durch die mehrere axial verlaufende Pfade oder Kammern 17 a gebildet werden, die den oberen Abschnitt 17 des Luftkanals bilden, durch welchen Luft hindurchströmt, die durch die heißen Gase, die durch den oberen Abschnitt 18 des Ablaßkanals 16 führen, vorgewärmt wird. Die innere Wand 24 trennt auch den oberen Abschnitt 18 des Abgaskanals 16 von dem oberen Abschnitt 17 des Luftkanals 21. Der Ablaßkanal hat ebenfalls einen inneren gewellten Körper 25, der mehrere axiale Kanäle oder Kammern 18 α zwischen den Wänden 26 und 24 aufweist und ähnlich ausgebildet ist wie der obere Abschnitt 17 des Luftkanals. Der obere Abschnitt 18 wird durch eine Außenwand 26 abgeschlossen.

Der Grundkörper 27 des Generators kann eine an ihm befestigte thermoelektrische Grundfläche 13 besitzen. Zur Lösung des Grundkörpers des thermoelektrischen Feldes können geeignete Mittel (nicht gezeigt) verwendet werden.

Die F i g. 3 und 4 zeigen eine Bauart des thermoelektrischen Feldes in Einzelheiten (mehrere Wärmeaustauschkanäle 14, welche durch Schweißen oder anderweitig an der Druckplatte 30 der erwärmten Seite befestigt sind). Die Platte 30 kann zweckmäßigerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt werden. In der Nähe der Druckplatte 30 ist eine elektrische Isolierschicht 31, beispielsweise aus Glimmer, angeordnet. Zwischen zwei thermoelektrischen Elementen 33 ist an deren einem Ende eine Eisenbrücke 32 oder eine Verbindung vorgesehen.

Wie in der F i g. 4 gezeigt, sind die Verbindungen 32 mit Ausnehmungen 50 und die Schenkel der thermoelektrischen Elemente mit entsprechenden Vorsprüngen 51 zur Aufnahme in den Ausnehmungen versehen. Die Ausnehmungen und Vorsprünge können jede beliebige Form aufweisen und in jedem Körper gebildet sein. Es ist festgestellt worden, daß kegelstumpfförmige Ausnehmungen in den Verbindungen 32 und entsprechend kegelstumpfförmige Vorsprünge an den Schenkeln, welche zylindrisch sein können, für die Zwecke der Erfindung zufriedenstellend sind.

Die anderen Enden der thermoelektrischen Elemente 33 sind im Wechsel mit Verbindungskörpern 34 und mit den Verbindungskörpern 32 verbunden, so daß zwischen den Elementen 33 eine Reihenschaltung entsteht. Die Schenkel der thermoelektrischen Elemente sind so angeordnet, daß jede Überbrückung 32 und 34 jeweils von einem N-Schenkel berührt wird, wie in der Zeichnung gezeigt.

Der kalte Überbrückungskörper 34 besteht aus einer nach außen schalenförmig ausgebildeten Platte aus federndem Material, wie beispielsweise einer Kupferlegierung, an die die thermoelektrischen Elemente durch eine Lötverbindung, beispielsweise mit Lötzinn, angeschlossen sind. Ein Schicht 35 aus elektrisch isolierendem Material, beispielsweise Glimmer, ist zwischen der Druckplatte 36 der kalten Seite und den Überbrückungen 34 angeordnet. Wie in der F i g. 4 gezeigt ist, kann der gewellte Metallkörper 37 mit der Platte 36 aus einem Stück bestehen oder eine getrennte, an dieser Platte 36 befestigte Platte sein. Mit dem Körper 37 sind, wie in der F i g. 3 gezeigt, Zufuhr- und Ablaßleitungen 33 und 54 verbunden, um das Kühlmittel, beispielsweise Seewasser, umzuwälzen und die Verbindungen im Bereich der Platte 36 zu kühlen.

Die Platte 36 der kalten Seite kann aus einer Kupfer-Nickel-Legierung bestehen. Sie ist an der

Druckplatte 30 der heißen Seite, beispielsweise durch Befestigungsmittel 71 und Stangen 73, befestigt, die beim Einbau die Verbindung mit anderen Teilen herstellen. Wenn die kalte Platte 36 mit der heißen Platte 30 verbunden ist, wird das Federmetall der Überbrückung 34, wie in der Fig. 4 gezeigt ist, gegenüber ihrer normalerweise nach außen schalenförmig ausgebildeten Form etwas abgeflacht und übt eine Kraft auf die Schenkel der thermoelektrischen Elemente 33 aus, durch die sie in den Ausnehmungen 50 der Uberbrückungen 32 festgehalten werden. Dieses gewährleistet einen sicheren Kontakt, der thermischen und mechanischen Beanspruchungen standhält. Jede Feldanordnung bildet eine einteilige Einheit und kann gegen Stoß gesichert gelagert werden. Die thermoelektrischen Elemente können in einem Block aus elektrischem und thermischem Isoliermaterial 72 eingebettet werden. Außerdem kann eine verhältnismäßig schwach wärmeleitende, träge oder reduzierende Atmosphäre den Raum zwischen den Platten 30 und 36 ausfüllen und die Luft, die zwischen den Platten der Verkleidung verbleiben würde, im wesentlichen ersetzen. Es sind für diesen Zweck verschiedene gasförmige Materialien in zufriedenstellender Weise geeignet, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium, Argon oder Stickstoff. Der gesamte Feldeinbau kann durch Dichtungen (nicht gezeigt) luftdicht abgeschlossen werden.

Die Fig. 5 zeigt eine Steuereinheit in schematischer Darstellung zur Verwendung mit einem Generator. Die elektrische Leistung des thermoelektrischen Generators 10 wird durch elektrische Leitungen 45 und 46 geführt. Am Ausgang des Generators sind WiderständeR3 und R4 in Reihenschaltung angeordnet, die einen Spannungsteiler bilden, von welchem ein vorbestimmter Teil der gesamten abgegebenen Spannung des Generators bei 42 dem Verstärker 40 zugeführt werden kann. An den Ausgang des Generators ist ebenfalls ein Widerstand Rl in Reihe mit einem Potentiometer R 2 angeschlossen, dem eine Zenerdiode 41 parallel geschaltet ist. Die Spannung am Schleifer 43 des Potentiometers R2 wird ebenfalls dem Verstärker 40 zugeführt. Die Spannung an der Zenerdiode ist von einer vorbestimmten Spannung an nahezu unabhängig vom Strom. Wenn die Werte für die Widerstände Rl und R2 entsprechend gewählt werden, dann hält die Zenerdiode an den Anschlüssen des Widerstandes R 2 eine konstante Spannung aufrecht, die als Bezugsspannung benutzt werden kann, ungeachtet der Generatorbelastung oder der Schwankungen in der Generatorleistung. Ein Teil dieser Bezugsspannung wird vom Schleifer 43 des Potentiometers R 2 dem Verstärker 40 zugeführt. Der Verstärker 40 dient zum Vergleich der am Schleifer 43 erhaltenen Bezugsspannung mit der bei 42 erhaltenen Spannung, welche mit der Ausgangsspannung des Generators schwankt. Durch Einstellen des Potentiometers R 2 kann diese Spannung an die bei 42 herrschende Spannung angeglichen werden. Durch Verstärkung der im Betrieb entstehenden Spannungsunterschiede können Servoeinrichtungen 60 und 61 betrieben werden, die die Brennstoffzufuhr zum Brenner 15 des Generators entsprechend regeln.

Es ist zu berücksichtigen, daß die Leistung des Generators entweder infolge einer veränderten Brennerleistung oder Veränderungen in der Qualität des Brennstoffes oder fehlerhafter Betriebsweise des Brenners schwanken kann, oder weil die Belastung des Generators eine Veränderung der Ausgangsspannung bewirkt. Dann ändert sich die bei 42 in den Verstärker eingeführte Spannung entsprechend. Mit Hilfe dieser Steuerspannung wird durch den Verstärker ein Signal für die Servoeinrichtungen erzeugt, die die Brennstoff- und Luftzufuhr zu den Brennern regeln und in solcher Weise verändern, wie sie zur Einstellung des Brennstoff- und Luftverbrauches erforderlich ist, damit eine der neuen Belastung entsprechende Wärmemenge erzeugt wird. Auf Wunsch kann eine Pufferbatterie (nicht gezeigt) dem Ausgang des Generators parallel angeordnet werden, um die Spitzen jeder erhöhten Last aufzunehmen.

Die von dem Brenner an die thermoelektrischen Elemente herangeführte Wärme erzeugt an ihren Verbindungen eine Spannungsdifferenz. Die thermoelektrischen Elemente können aus jedem beliebigen thermoelektrischen Material, beispielsweise HaIb-

ao metallen oder Halbleitern wie Bleitelluriden zusammengesetzt werden.

Jedes der thermoelektrischen Elemente eines einzelnen Feldes und jedes Feld können in Reihenschaltung miteinander verbunden werden, um eine möglichst hohe Ausgangsspannung zu erzeugen. Es können auch je nach den Erfordernissen des Generators verschiedene Reihenschaltungen und parallele Anordnungen der Felder vorgesehen werden. Die elektrischen Anschlüsse 74 für jedes thermoelekirische Feld des Generators können getrennt aus ihren entsprechenden Feldern herausgeführt und zu einem nicht gezeigten gemeinsamen Anschlußbrett geleitet und dort in der gewünschten Reihenschaltung oder in Parallelschaltung miteinander verbunden werden, oder es können auf Wunsch auch einzelne Felder umgangen werden. Die anpassungsfähige Anordnung erleichtert ebenfalls eine Prüfung der einzelnen Felder des Generators, falls eine der Verbindungen ausfallen sollte, da jedes Feld einzeln geprüft werden kann.

Ferner können die thermoelektrischen Felder 12, die eine Anzahl hintereinander angeordneter Verbindungen aufweisen, so hergestellt werden, daß sie zum Auswechseln oder Prüfen vom Generator entfernt werden können. Dieses kann, wie in der F i g. 3 gezeigt ist, dadurch erreicht werden, daß an den Enden der Druckplatten 30 und 36 der Verkleidungen Anschlußflansche 55 und 56 befestigt werden. Die Flansche werden durch Befestigungsmittel 57, die die Hülse 11 an den Verkleidungen halten und erforderlichenfalls durch Entfernung des Feldes gelöst werden können, in ihrer Stellung im Generator gehalten. Die Felder können durch senkrechtes oder seitliches Herausziehen aus dem Generator entfernt werden.

Um das senkrechte Entfernen der Felder durchzuführen, wird der Oberteil des Generators einschließlich der Brenner- und Vorwärmeanordnung vom unteren Abschnitt lösbar ausgebildet, welcher, wie durch die Teilungslinie 63 in F i g. 1 angeben, die Felder enthält. Es können an den Seiten jeder Montageeinheit der Felder zusätzliche Befestigungsmittel 71 vorgesehen werden, um die Druckplatten zueinanderzuziehen und die Felder zusammenzuhalten. Es ist zu beachten, daß die vom Brenner 70 der Wärmequelle 15 kommende Wärme die Felder 12 unmittelbar durch Strahlung erwärmt. Zusätzlich zu der durch die Strahlung an die Felder herangeführten Wärme sind die Wärmeaustauscherkanäle 14 vome-

sehen, durch welche die heißen Abgase des Brenners an die Außenseite des Generators abgegeben werden. Beim Durchgang durch die Kanäle 14 geben die heißen Gase durch Strahlung und Leitung durch die Wände der Felder einen Teil ihrer Wärme an die thermoelektrischen Elemente im Bereich der Platte ab. Die warmen Abgase strömen durch die Kanäle nach oben und erreichen den in der F i g. 2 gezeigten Vorwärmeeinbau 18. Durch diesen Wärmeaustausch wird über die gesamte Fläche der Felder eine gleichmäßige Temperatur aufrechterhalten. Wenn das heiße Gas durch die verschiedenen Führungen, welche den oberen Abschnitt 18 bilden, hindurchströmt, dann gibt es einen zusätzlichen Teil seiner Wärme an die durch die Kammern 17 a einströmende Luft ab und dient somit zur Vorwärmung der Luft, bevor die warmen Gase durch den Kanal 58 nach außen abgegeben werden. Dadurch wird die Leistungsfähigkeit des Brenners erhöht.

JSO

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Thermoelektrischer Generator, bestehend aus einer doppelwandigen Verbrennungskammer, bei der eine Vielzahl von in Reihe geschalteten Thermoelementen um den Innenraum der Kammer herum jeweils in Gruppen zwischen der Innenwand und der Außenwand so angeordnet ist, daß die zu kühlenden Verbindungsstellen der Elemente nach außen und die zu erwärmenden nach innen liegen und die Elementgruppen mit den Wänden zusammen plattenartige Bauteile bilden und bei der der Innenraum an seinem Ende eine Heizvorrichtung und einen von seinem anderen geschlossenen Ende aus durch den Innenraum hindurchführenden und von den heißen Gasen in Richtung auf die Heizvorrichtung durchströmten Abzug besitzt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abzug aus unmittelbar an die Innenwand anschließenden Kanälen besteht, die den Innenraum im wesentlichen frei lassen und von denen mindestens ein Kanal an jedem plattenartigen Bauteil vorgesehen ist.

2. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzugskanäle mit dem jeweils zugehörigen plattenartigen Bauteil in an sich bekannter Weise eine geschlossene Montageeinheit bilden.

3. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung, mit deren Hilfe eine der Ausgangsspannung des Generators proportionale Spannung erzeugt und diese Spannung mit einer Bezugsspannung verglichen wird und bei der Mittel zur Einstellung der Brennerleistung in Abhängigkeit von dem Verhältnis der beiden Spannungen vorgesehen sind.

4. Thermoelektrischer Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zwischen den einzelnen Thermoelementschenkeln jeweils abwechselnd aus einem Stück eines nach außen schalenförmig gewölbten federartigen Teils sowie aus einem Kontaktkörper bestehen, der jeweils einen Schenkel eines durch das schalenförmige Teil verbundenen Paares mit einem Schenkel eines benachbarten Paares an dem vom schalenförmigen Stück abgekehrten Ende verbindet, wobei beim Einspannen der durch die schalenförmig ausgebildeten Teile verbundenen Elemente zwischen der Innen- und der Außenwand eines plattenartigen Bauteils durch die federnden schalenförmigen Verbindungskörper ein Druck auf die Thermoelementschenkel ausgeübt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 87 533, 163171;
französische Patentschrift Nr. 361433;
USA.-Patentschriften Nr. 2 519 241, 2 675 417.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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