Thermogenerator

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator mit p unc n Elementen für eine Uhr, einen Sensor, ein 5tromspeiseger- t oder dgl., der zwischen einer warmen und kalten Temperatur¬ quelle angeordnet ist, wobεi die Thermoelemente mit einer Dünn- oder Dickfilmtechnik auf ein Substrat aufgetragen sind und die Form der π und p Elementen so gewählt ist, dass sie sich untereinander überschneiden.

Ein bekannter Thermogenerator ist in αer CH-PS 604249 beschrieben. Dieser ist aus diskreten Bauteilen zusammen- 0 gesetzt, indem thermoεlektrisches Material in Stäbchen geschnitten wird, um αann zu Blöcken zusammengesetzt zu werden. Dadurch können in einer Uhr nur einige hundert von thermoelektrischen Elementen in Serie geschaltet werden. Die Ausgangsspannung ist zu klein um eine 3atterie mit Strom 5 zu versorgen. Dieser muss noch ourch eine aufwendige Elektronik und durch einen Transformer auf ein Niveau gebracht werden, um eine Batterie laoen zu können. In der PS GB-A-1 381001 ist αie Herstellung eines Dünnfilm- thermogenerators auf eine Aluminium und Aluminiumoxyb- C unterläge bεscnrieoen. Z,i*_.sε --'εrstsllunς eignet sich nur eine sehr kleine Anzahl von Thermoelementen. Zuoem ist αie Herstellung des Sunstrats sehr aufwenoiς.

In cer ^S US-A-3 6ό 47. ^' ist ein Pc- _^ tiεr E.e.iiε- ^* ; oescnri-eoen zur Heizung oder Kühlung εinεs Teiles. Dabei überlappen die 5 P und π Elemente sicn cεgεnsinancer u." : ^* ι s; ; eo = r-

. a _. p u π r. i st ε n : _. s ε n = -. , j ε c c c n t ne rmi ε c ni c h t l ei t e t .

Bei oer Herstellung uon Dünn- oαer DicKschichten ist es jεdoch wichtig ein Material, das die p und n Elemente verbindet, so zu wählen, _d ass es metallurgisch eine lerbindung hervorgiht, diε εinε gute Haftbarkeit, kleinen elεktrischεπ üiiderstand und eine gute Wärmeleitfähigkeit ergibt.

Die in den PS JP-A-Bl 259 580 und US-A-4 677 416 beschrεioenen mit einer Dünnfilmtechnik aufgetragene Schichten, überlappen sich gegenseitig . Da es sich dabei immer nur um ωenigε Paare handelt, ist die Grosse des elektrischen Gesamtwider- Standes kein Problem. Eine solche Ausführung ist jedoch bei einer Serieschaltung uon mehreren Tausen Elementenpaarε nicht denkbar, da der elektrischε 'iiαεrstand viεl zu noch ωϊre. Auch wurden die intermetallischen Probleme bei den ^etallübεrgängen nicht bεrücksichtigt. Die PS US-A-3 554 815 beschreibt eine Lösung, in der die p-Schicht auf σer einen Seite und diε n-Schicht auf αer anderen Seite eines Substrats aufgebracht werαen. Dies wäre bei einer Sεrieherstellung viεl zu kostspiεlig. Auen ist oas im Patentanspruch angegεbene Uεrhäitnis υon 5 ; 1 zwischen dεr Schichtdicke unc αer Substratdicke bεi

Dünnschichtεn nicht ausführbar. Diεsεs Verhältnis ist eher 1 : 1 für Anwendungen αie nachher αεscnriεcεr. werden. Es ist caher Aufgabε αεr Ξrfinαung εinen Thermogenerator herzustellen, cer mit εinfacnεn Mitteln, Kostengünstig unc in qrossεn Serien hεrstelloar ist.

Dies wird nach den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 und 4 erreicht.

Die Herstellung des Thεr ogεnεrators bεnötigt nur εinε Maskε, diε nach der Herstellung von z.B. der p Elementen um 180 gedreht wird um αann die π Elemente aufzutragen. Dabei entstehεn automatisch Uεbεrlappungen von n und p Materialien. Damit der elektrische Widerstand reduziεrt werden kann, ist eine zusätzliche Schicht eines Materials aufzutragen, das sich mit dem n und p Material der Thermoelemente metallisch verbindet. Daourch wird die thεrmoεlεktrische Spannung des Generators nicht beeinfiusst, jedoch der Wirkungsgrad dεutlich verbessert, αurch diese Reduktion des εlektrischen Widerstands. Gleichzeitig werden mit dem gleichen Arbeitsgang und mit den gleichεn Materialien Koπtaktflachen aufgεtragen, damit das erste unα lεtztε

Elemεnt des Thermogenerators mit einer Schaltung verbunoen wεrdεn könnεn. Ein anderes Problem ist diε Wärmeübertragung von den Wärmequellen auf das Substrat. Durch cεs Auftragen einer zusätzlichen Schicht, wie εs im Patentanspruch 4 umschrieben ist, ist es möglich durch diε Anwεnαung εiner entsprechenden Wärmeleitpaste oc-er cgi. eine optimale ärmeübertragur . herzustellen. Da αie Verluste cεr Wärmeübertragung durch cas Substrat, die Befestigung unc Gurch cie Luft nicht unbedeutend sine, ist eiese Lösung der ufgεoe von grossεr äeoeuiung.

Die Schicht zur Verbesserung der Wärmeübertragung kann vortεilhafterweise aus αera gleichen Material hergestellt werden, wie dasjenige das für die Kontaktflächen odεr für diε zusätzlichen lεitenden Schichten verwendet wird. Einer der wichtigsten Verlustquellen bei oer Wärmeübertragung ist gegεbεn durch dεn Abstand bεider Quellen. Die Luft überträgt die Wärme relatif gut und aas Volumen zwischen den Duellen kann gross sein. Um diesen Verlst zu reduzieren, ist es von Vorteil, Plasiϊ folien auf die Flächen aufzubringen, die mit der Luft im Kontakt sind, um diε Wärmeübertragung zwischen den Duellen und der Luft zu vermindern. Besonders in einer Uhr, wo die Tεmpεraturo ^' ifferenz zwischen den beiden Tempεraturquεllen gering ist, z.B. 3-5 C sind die vorgeschlagenen Lösungen sehr wirkungsvoll. Bei der Anwendung eines Thermogenεrators in einer Uhr ist es so, dass das Uhrwerk meistens rund ist. Bei einer recht¬ eckigen Schale ist es von Vorteil, αεn Thermogenerator in die -. Ecken unterzubringen. Bei einem Dünnfilmgenerator sind ca. 1000 Elεmenteπpaarε in Sεriε geschaltet. Total ergeben oie 4000 Paarε in Sεriε geschaltet einε Spannung ab von ca.l,5Volt, um einen Akkumulator oder einen Kondensator mit einer Kaoazität von etwa I F aufzuiεcsn. Ein Tr.sr.no e- nerator mit 1000 ^D aare hat eine Länge von ca. 33 cm. Er muss daher aufgerollt werden, um in einer Lnr eingεoaut uεrαεπ zu können.

Die Herstellung der Dünnfilme kann durch Aufαampfen, Kathodenzerstäubung oder durch Fl ashaufOa pfen erfolgen. Bei dεn Dickfilmεn kann dεr Sieboruck oder ein anderes Druckverfahren verwεndεt werden. Ist nach dem auftragen dεr thermoelektrischεn Elεmente einε thεrmischε Bεhandlung notwεπdig, ist εs von Vortεil als Substrat Glimmer oder eine Keramik zu verwenden. Andernfalls ist ein Kunststoff vom Typ Polyimid oder Polytεrephtalat vorzuziehen, die unter der Handεlsbεzεichnuπg Kapton oder Mylar im Handεl εrhält- lieh sind. Auch bεi diεsen ist eine bεschränkte thermische

Behandlung möglich. Die Dicke dεs Substrats solltε möglichst dünn gewählt werden, um den thermischen Kurzschluss auf ein Minimum zu reduzieren. Der thermische Wirkungsgrad wird verbessert, wεnn beidseitig vom Substrat thεr oεlεktrischε Elεmεntε aufgεtragεn werden.

Anstelle der Verwendung einer Maske kann auch cas thermo- εlεktrischε Material auf cem ganzen Substrat aufgεtragεn wεrden. Durch einε chemische Aetzung oder ouren einen Ionenstrahl kann die gewünschte Geometrie angefεrtigt wεrdεn.

Diε n und p Thermoelemente können aus bekannten Materialien, wie Bi,Te,Sb,Sε oder Pb,Ξe oαεr ^D o,ϊε ocε-r anderen Legierungen hergestellt werden.

-.ei einer therm- εlεktriscnεn Ohr Kann ca's Ξuostrat um oas ünrwεrk anqeornet sein oαer die einzelnen SuDstrate können in oer Uhrenschaie an günstigen jrten untergeorsent ωerαen.

.er Strom dεr Thεrmogεnεratorεn kann εiπen Konαensator oder einen Akkumulator direkt aufladen. Der Akkumulator hat oen grossεπ Wachteil, dass er εiπεn Elektrolyt enthält. Dadurch ist es schwierig einen Akkumulator auf längere Zεit dient zu halten. Mit αen heutigen Elektrolyten KOH und ι\ ^! aOH ist es praktisch unmöglich einen Akkumulator während mindestεns 10 Jahrεn dicht zu halten. Diese Nachteile sino bei dem Kondensator nicht vorhanden. ebεn dεr beschriebenen Anwendung des erfinαungsgemässen Thermogenerators in einer Uhr , ann dieser auch in Sensoren, Stromspeisegεräten usw. eingεsεtzt werden. Bedingt durch die verlangten Energiεsparmassnahmεn in dεr Heizung ist es von Vorteil, einεn Wärmεfluss zu mεssen. Dabei erzeugt ein Thεrmαgenerator genügend Strom uno Spannung um eine εlεktr- onische Schaltung zu speisen und ein Integrator kann oie Wärmemengε messen, diε in einem elεktronischεn Gεαächnis dann gεspεichεrt werden kann. Dabei wirα die Verwεnαung εinεr Lithiumbatterie üoerflüssig, diε zuαε periodisch ausgewεcn- sεlt werden muss. Sclchε Sεnsorεn könnεπ einε Anwεndunς finden in Grosshεiz- anlagεπ und Miεtwohnungεπ. Jεdoch auch in incustriεllεn -nlagεn zur vollautomatischen UεDεrι_.acnuπg von Tεmoεratur- vorgängen, die unabhängig von cer ..εtzspaπnung ocer einer Batterie funktionniεrεn müssen.

Ein Ausführungsbeispiεl αεr Erfinαung ist in αεn Figurεn dargestellt.

Es zeigen: Fig.la und lb die n und p Elemεntε einzεln dargestellt. Fig.2 Thεrmogenerator mit den Kontaktflächen

Fig.3 Montierter Thermogenerator Fig.4 Substrat mit Thermogenerator Fig. la zeigt n Elemεπte hergεstellt mit einer Maske und Fig. lb die p Elemente, hergεstεllt mit dεr gleichen Maske, wobei letzterε um 180 gedreht wurde. Wenn nun die π unα p Elemeπtε 1,2 am glεichεn Ort auf εin Substrat aufgεtragεn werden erhält man εineπ Thermogenerator, wie er in Fig,2 dargestellt ist. Um den εlεktrischεπ iiJiαerstano dεs Thεrmogεnerators 5 zu verkleinern werden zusätzliche Schichten 3 auf die Kontaktflächεn dεr n unα/odεr p Elε εntεn aufgεtragεn. Mit der gleichen Legierung, wie die Schichten 3 werden Kontaktflächen 4 aufgεbracht. iese Schichten 3 uno die Kontaktflächen 4 oesteheπ aus εinem Material, das mit dεn n unα p Elεmεnten 1,2 mεtallisch löslich ist. Durch αiε Kontaktflächεn 4 ist es möglich den Thermogenerator 5 mit einer elεktrischεn Schaltung zu vεroinden. Bεispiεl einεr Anwendung in εiner Uhr; Dimensionen eines p ocer n Elements:

Schichtdicke: 0,005 mm, Schichtoreite : 0,1 mm, Scnicntiängε : 0.75 mm, spεzifischεr εlektrischer Wiαεrstand: ü , . ^" .0O! ^" ■1 ohm.π.

Daraus εrgibt sich εinen elεktrischεn Wiαεrstano pro E εmentεn- paar von 30 Ohm. -;εi 75 C* in erie c _. s c r,a __ z_rtor. Ξ_≤-nentεπ .εar•__ ist cεr vioerεtanα 225 κon.;,. .iüsεr -icerstar.c ar.n cn c r. _. zusätzlichen Scnicnt≡r, ur;. 2 - -.. ^" . reduzierrt -.erceri. -•_!

- υ-

einer Tε.npεraturdifferenz von 6 C kann εine Klemmenspannung von ca. 1,6 V erwartet werden. Ein solcher Generator kann eine Leistung von 11 mikrowatt abgεbεn. Es ist auch denkbar, dass die Thermoelemente in einem Uhrεn- ar band untergebracht sein könnten, das eine mit dem Arm thermisch isoliertε Oberfläche aufweist. Der Thermogenera¬ tor ist dann mit elektrischen Leitern mit dem Kondεnsator oder dεm Akkumulator der Uhr verbunden. Anstelle einer Uhr könnte man sich εin tragbares Instrument vorstellen, wie ein Pulsmesser, Blutdruckmessgerät, elεktronischεs Höhen- mεssgεrät, Thermometer, elektronischen Kαmpass usw. Fig. 3 stellt einen Thermogenerator 5 αar, αer zwischen den beiden Temperaturquellεn 7 angeordnet ist. Um die Wärmeübertragung zu dptimalisieren, wird ein Material 6 zwischen den Temperaturquellen 7 unα dem Thermogenerator 5 aufgetragen. Dieses Material uss die Wärme möglichst gut leiten, um die Wärmeübertragung von den Ouellen 7 auf den Thermogenerator 5 zu fördern. Diεsεs Material kann ein Elastomer sein in einem weichen oder ausgehärteten Zustand und kann eine relativ grossen Anteil Pulver entnaltεn, das diε Wärme leitεt.

Bεi einem Ihεrmogεnerator sollte möglichst viel .. rrπε curch ciε Thεrmoεlεmente 1,2 fliessen. Um ciεs zu εrrεichen, sollten die Vεrluste αurch parεllelε Wärmεorückεn möglichst rεαuziert werden, υaoei spielt αer Wärmeverlust durch die

Luft εinε wichtigε Rolle. Diesεr Wärmεveπust Kann reduziert wεrcεn curch caε auforingεn von zus-tziicneπ Folien _. . ^, _ _> ~ ein*

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Fig. 4 stellt ein Substrat 10 dar, auf αe Thermoelemente 1,2 aufgetragen wurden. Zusätzlich wurde noch eine Schicht 9 aufgetragεn, oiε diε Thermoelemente 1,2 nicht oerühren. Diεse Schicht 9 kann aus Metall sein oder aus dεm gleichen Material, wie diε Verbindungsschichten 3 sεin. Diεsε Schicht 9 hat dεn Vortεil, dass diε Wärmεübεrtragung von dεn Quεllεn 7 verbessεrt wird, zwischεn dεnεn schon aas Wärmεübεrtragungs- matεrial 6 vorhanden ist.