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Dokumentenidentifikation DE102005025094A1 07.12.2006
Titel Piezoelektrischer Wärmewandler
Anmelder Jensen, Michael Johannes, 44388 Dortmund, DE
Erfinder Jensen, Michael Johannes, 44388 Dortmund, DE
DE-Anmeldedatum 01.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005025094
Offenlegungstag 07.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.12.2006
IPC-Hauptklasse H02N 2/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 41/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Der erfindungsgemäße piezoelektrische Wärmewandler erschließt die Möglichkeit, die Wärme einer beliebigen Wärmequelle, oberhalb einer bestimmten Temperatur, unmittelbar in elektrische Energie umzuwandeln. Der piezoelektrische Wärmewandler kann so auf geräuschlose Weise als Energiequelle dienen. Er ist preiswert in der Herstellung und voraussichtlich auch von langer Lebensdauer.

Beschreibung[de]

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Wärmewandler gehört zur Gattung Energiewandler.

Konventionelle Eneregiewandler benötigen zu ihrer dauerhaften Funktion eine permanente Temperaturdifferenz.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Wärmewandler benötigt jedoch nur eine Wärmequelle, oberhalb einer bestimmten Temperatur, um zu funktionieren.

Ursächlich für die Funktion des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wärmewandlers ist das Phänomen, das als ursächlich für die sogenannte "Brownsche Molekularbewegung" bekannt ist:

Ein Partikel eines beliebigen Festkörpers, der in seiner Größenordnung von ca. 10 Mikrometer ist, und der sich in einer Flüssigkeit oder einem Gas unter Normalbedingungen befindet, vollführt Zitter- und Wimmelbewegungen, da auf seine Körpergrenzen, in zufälliger Art und Weise, thermodynamisch bedingte, permanent schwankende Drücke einwirken.

Durch seinen besonderen Aufbau, kann der erfindungsgemäße piezoelektrische Wärmewandler diese Druckschwankungen, die auch die "Brownsche Molekularbewegung" verursachen, in eine elektrische Wechselspannung umwandeln.

Durch die Gleichrichtung dieser Wechselspannung und ihrer Glättung, mittels z.B. einer elektrischen Kapazität, ist so eine Umwandlung von Wärmeenergie in technisch nutzbare elektrische Energie möglich.

Damit der erfindunggemäße piezolektrische Wärmewandler eine möglichst hohe Wandlerleistung haben kann, sollten vorzugsweise die thermodynamisch bedingten Druckschwankungen, die in Flüssigkeiten und bei Gasen im druckerhöhtem Zustand auftreten, zur Energiewandlung genutzt werden.

Bisheriges Problem, bei der Umwandlung von thermodynamisch bedingten Druckschwankungen, in dem Bereich, in dem sie auch die Brownsche Molekularbewegung verursachen, war der Umstand, das eine entsprechendes piezoelektrisches Wandlerelement, mit einer Membrangröße von Beispielsweise 10 Quadratmikrometer, eine Baulänge von ca. 100 Mikrometern haben muß, damit eine technisch verwertbare Ausgangsspannung entstehen kann, die dann größtenteils oberhalb der Schleusenspannung der verwendeten Dioden liegt.

Derartige Nadeln, aus piezoelektrischem Material, wären dann aber, aufgrund des Verhältnisses vom Durchmesser zur Gesamelementlänge in Verbindung mit dem Ruhedruck, der auf ihnen lastet, extrem bruchgefährdet.

Mittels des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens, des erfindungemäßen piezoelektrischen Wärmewandlers, lassen sich aber nun solche piezoelektrischen Gesamtelemente, mit jedem noch so extremen Durchmesser/Längenverhältnis, hestellen, da jedes dieser Elemente durch eine Vielzahl von Membransicken, in seiner Lage aufgehängt und so stabelisiert ist.

Die Form, eines jeden piezoelektrischen Wandlerelementes kann die Noppenform oder auch die Ringform sein.

Die Gleichrichtung, der piezoelektrisch erzeugten Wechelspannung, sollte mittels Dioden in einer Brückenschaltung, erfolgen.

Durch die Paralell-, bzw. Reihenschaltung der Gleichspannungsausgänge der Brückenschaltungen, lassen sich so dann auch verschiedene Ausgangsspannungen herstellen.

Als Füllgas der erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wärmewandler, eignen sich besonders Gase mit niedrigem Siedepunkt und geringer Gefährlichkeit für die Umwelt.

Die Anwendungsbereiche für den piezolelektrischen Energiewandlers sind sehr vielfältig.

Grundsätzlich kann er in allen Bereichen eingesetzt werden, in denen bisher noch Akkumulatoren, bzw. galvanische Elemente eingesetzt werden.

Auch zur Deckung großer Energiemengen ist er geeignet.

Die Zeichnung (1) zeigt ein piezoelektrisches Einzelelement mit Bemassung.

Bezugszeichen 1 bezeichnet das Keramiktäfelchen aus einer piezoelektrischen Keramik.

Bezugszeichen 3 zeigt eine Metallschicht, die zuvor auf das Keramiktäfelchen aufgebracht und mit diesem, z.B. durch glühen verbunden wurde.

Mittels eines UV-Licht-Lasers wurde danach der ringförmige Spalt (Bezugszeichen 4) in die piezoelektrische Keramik eingebracht.

Durch die Einwirkung, z.B. eines Druckes beliebiger Art kam es dann zur Herstellung der Sicke (Bezugsz.: 2).

Werden, nach diesem Fertigungsvorgang mehrere Folienabschnitte so aufeinandergeschichtet, daß die noppenförmigen piezoelektrischen Elemente deckungsgleich aufeinanderliegen, dann entsteht ein piezoelektrisches Gesamtelement von der Gesamtlänge, die sich durch die Summe der Einzelelemente ergibt (siehe Zeichnung, 2.)

Die Einzelelemente sind dabei elektrisch in Reihe geschaltet.

Fig. 1
1
Täfelchen aus piezoelektrischem Material
2
Sicke
3
Metallisierung als oberen Flächenkontakt
4
gelaserter ringförmiger Spalt
5
noppenförmiges piezoelektrisches Element
6
unterer Flächenkontakt
Fig. 2
Piezoelektrisches Gesamtelement, das aus drei piezoelektrischen Elementen
zusammengesetzt wurde.


Anspruch[de]
Piezoelektrischer Wärmewandler, gekennzeichnet dadurch, daß aus einem flächigen, piezoelektrischen Material, das einseitig mit einer Metallfolie verbunden wurde, mittels konventioneller Verfahren, noppenförmige, piezoelektrische Elemente, in der Größenordnung von wenigen Quadratmikrometer, hergestellt wurden, die danach dann nur noch an der Metallfolie befestigt sind und durch ein ensprechendes konventionelles Verfahren die Metallfolie, im Bereich dieser piezoelektrischen Elemente, so gedehnt wurde, so das sie dort als eine Sicke dient und dann durch ein deckungsgleiches Aufeinanderstapeln dieser piezoelektrischen Elemente und deren damit verbundenen elektrischen Reihenschaltung ein piezoelektrisches Gesamtelement entsteht, das dann, durch die Verschaltung mit vier Dioden in der Brückenschaltung, eine technisch verwertbare Gleichspannung liefern kann, vorzugsweise wenn es in einem Behälter mit einem Gas, das vorzugsweise unter erhöhtem Druck steht, untergebracht ist, und auf dieses piezoelektrische Gesamtelement die gleichen Druckschwankungen einwirken, die auch für die Brownsche Molekularbewegung ursächlich sind.






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