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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Hohlfaser und einem Thermoelement, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie dessen Verwendung.
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Bekannt sind – neben normalen Thermoelementen – Halbleiter-Thermoelemente. Bei diesen wird, wie bei den normalen Thermoelementen, der Seebeck-Effekt ausgenutzt. Dies ist ein thermoelektrischer Effekt, bei dem in einem Stromkreis aus zwei Leitern bzw. Halbleitern die Stelle zwischen den Leitern erwärmt wird. Bei diesem Vorgang entsteht eine elektromotorische Kraft (abgekürzt: EMK), die beim Schließen des Stromkreises einen messbaren elektrischen Strom verursacht. Diese EMK, oder auch einfach ausgedrückt elektrische Spannung, ist temperaturabhängig und wird von der chemischen und physikalischen Zusammensetzung der Leiter bestimmt. Eine schematische Darstellung hierzu zeigt 1. Neben den Halbleiter-Thermoelementen gibt es auch Halbleiter-Kühlelemente (Peltier-Elemente). Deren Funktion beruht auf dem Peltier-Effekt. Dieser ist die Umkehrung des Seebeck-Effekts und besteht darin, dass ein Stromfluss durch zwei Lötstellen, die zwei verschiedene Materialien miteinander verbinden, eine Abkühlung der einen und eine Erwärmung der anderen bewirkt. Wegen der sehr geringen Kühlleistung werden Peltier-Elemente derzeit nur für Spezialzwecke eingesetzt. (Vgl. Microsoft(R) Encarta(R) Professional 2002. (c) 1993–2001 Microsoft Corporation.)
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Ferner sind in der Zeitschrift Elektronik Journal, Heft August 2002, S. 99, Silizium-Thßermogeneratoren als Flächengebilde beschrieben. Ein derartiger Thermogenerator besteht aus einer Vielzahl von Thermoelementen, wobei dieselben mäanderförmig räumlich angeordnet sind, um die Fläche effizient auszunutzen. Ein derartiger Thermogenerator erreicht eine Spannung von fünf Volt pro Quadratzentimeter Chipfläche. Der Thermogenerator ist zwischen zwei versilberten oder vergoldeten Kupfer-Plättchen, d. h. einer Außen-Platte (kalte Seite) und einer Innen-Platte (warme Seite), angeordnet, um das Temperaturgefälle zwischen der Außen- und der Innenseite, beispielsweise von Kleidung, auszunutzen. Der Thermogenerator ist dabei mittels Kontakten mit einem leitenden Drahtgeflecht verbunden, das in einem die Kleidung bildenden Stoff angeordnet ist. Eine derartige Vorrichtung kann beispielsweise verwendet werden, um Vitaldaten, wie die Körpertemperatur oder die Herzfrequenz, aufzuzeichnen oder um Hörgeräte mit Strom zu versorgen.
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Hohlfasern mit einem Außendurchmesser von bis zu minimal 0,28 mm und Wandstärken von bis zu minimal 0,41 μm sind beispielsweise aus der auf den selben Anmelder zurückgehenden
WO 00/10938 bekannt. Hierin wird auch ein Verfahren zur Herstellung von derartigen Hohlfasern aus Folien, welche auch mehrschichtig aufgebaut und/oder beschichtet sein können, mittels Wickeln beschrieben. In C. Lauterbach et al.: „Smart Clothes Self-Powered by Body Heat”, Proc. Avantex Symposium 115. bis 15.5. 2002, Frankfurt am Main, ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Thermoelement in einem Hohlkörper angeordnet ist.
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Die eingangs genannten Thermoelemente lassen jedoch noch Wünsche offen, insbesondere in Hinblick auf den Tragekomfort bei Körperkontakt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Thermogenerator der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Vorrichtung, ist das Thermoelement auf einer Hohlfaser oder sowohl in als auch auf einer Hohlfaser angeordnet und die Hohlfaser ist zweischalig ausgebildet, wobei die Längsnähte der beiden Schalen parallel zur Längsachse der Hohlfaser verlaufen, wobei es sich bei der Faser um eine Faser mit einem etwa kreisförmigen Vollprofil, aber auch um eine Faser mit einem teilweise offenen Profil, d. h. einem C-förmigen oder U-förmigen Profil, handeln kann. Dabei weist die Hohlfaser textile Eigenschaften auf.
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Zwischen den Isolationen befindet sich das oder die Thermoelemente und die sonstige Installation mit einer Höhe von vorzugsweise bis zu ca. μm (Wandstärke). Vorzugsweise ist die Nano- oder Mikro-Röhrchen Ausformung mit Höhen von vorzugsweise bis zu 100 μm aus zwei parallel nebeneinander gelegter, zu zwei Halbschalen geformter und dann zu einem Nano- oder Mikro-Röhrchen zusammengefügter Hohlfasern gebildet. Insbesondere sind hierbei zwei Serien-Thermoelemente vorgesehen, wobei der Durchmesser einem hydraulisch gleichwertigen Durchmesser von ca. 70 μm entspricht und immer noch textile Eigenschaften aufweist.
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Die menschliche Hautoberflächen-Temperatur wird durch Direktkontaktauflage gefühlt und mit der distanzierten Folientemperatur verglichen. Als Ergebnis der Temperaturdifferenz fließt in Folge des Seebeck-Effekts ein elektrischer Strom. Mit dem Stand der Technik für Folien-Thermogeneratoren ist eine derartig große Ladungsdichte auf dem kleinen Raum nicht erreichbar und damit die textile erfindungsgemäße Ausführung eine wesentliche Verbesserung. Ferner behindert die isolierenden Folien gemäß dem Stand der Technik, direkt auf der menschlichen Haut angelegt, die Aspiration und ist für den Träger unangenehm. Durch einen aus erfindungsgemäßen Hohlfasern hergestellten Stoff, insbesondere ein Gewebe, kann die Haut jedoch atmen und der Tragekomfort wird deutlich erhöht, so dass auch großflächige Textilien mit entsprechend höherer elektrischer Leistung ohne Störung des Komforts möglich sind. Die Thermogeneratoren gehören zu den besonders ökologischen Elektrostromerzeugern, ohne jede Emission. Das Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, kommt nach Sauerstoff in der Erdrinde am zweithäufigsten vor und ist deshalb günstig. Silizium als Rein-Silizium weist einen besonders großen Seebeck-Koeffizienten auf, der bei der Thermogenerator-Nutzung wünschenswert ist.
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Durch Umkehrung, d. h. durch die Anlegung einer entsprechenden elektrischen Spannung, lassen sich gezielt Flächen eines Stoffes erwärmen oder aber abkühlen (Thermoelement).
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Mit Temperaturdifferenzen-Elektrostromgewinnung liegt die Thermogenerator-Technologie bei einem Tausendstel der heutigen spezifischen Feststoffelektrolyten der Brennstoffzellentechnologie-Oberfläche, wobei die Brennstoffzelle ca. 10 000 bis 15 000 Watt/m2 liefert und durch CnHm-Aufoxidation auch Luft als Betriebsstoff benötigt. Im Vergleich hierzu liefert beispielsweise ein Quadratmeter Silizium Thermogenerator-Oberfläche 10 bis 15 Watt, bei einer Temperaturdifferenz von ca. 5 Kelvin.
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Vorzugsweise werden auf elektrisch isolierenden Konfektions-Textilien n- und pdotierte Thermogeneratoren an- bzw. aufgebracht und elektrisch in der textilen Struktur verschaltet. Vorzugsweise werden auf Synthese-Filament-Faser-Oberflächen die Hohlfilamentfasern angebracht, die aus anorganischen oder auch organischen Werkstoffen bestehen. Nano-, Mikro-Hohlfasern aus Nitritkeramik, Glas, Oxidkeramik und sterilisierbaren Polymeren sind bevorzugt.
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Vorzugsweise werden für die Thermogeneratoren Silizium und andere geeignete Halbleiterwerkstoffe als Nano- oder Mikrofasern mit Voll-, C- oder Uförmigem Profil oder Hohlprofil eingesetzt.
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Die Textilien sind vorzugsweise hydrophil sensibilisiert um die Differenzen der aspirationspsychometrischen Daten von Trockenkugel- und Feuchtkugel-Temperaturen am Thermogenerator für die Elektrostromgewinnung mit verwerten zu können. So ist auch die Nutzung des Ambiente-Wärmeinhalt (Enthalpie) aus der Luft nach den h – x Diagrammdifferenzen zur Elektro-Gleichstromgewinnung möglich.
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Vorzugsweis werden Silber oder Messing in Filamentfaserform als Elektrostrom-Ausleiter mit geeigneten physiologischen und hygienischen Eigenschaften an die Thermogeneratoren geführt. Silber und Messing haben fungizide, bakterizide und viruzide Eigenschaften, bei guter menschlicher Hautverträglichkeit.
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Vorzugsweise werden die n- und p-dotierten Thermogeneratoren in den Lumen, d. h. in das Innere, von Nano- oder Mikro-Hohlfasern eingebracht, wobei die Hohlfaser-Aussenumfangsflächen die Isolierung der Thermogeneratoren im Filamentfaserlumen bilden, bei voller textiler Eigenschaft der Hohlfaser.
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Vorzugsweise kann der elektrische Ausleiter auch durch die Faserwandung durchgeleitet werden, vorzugsweise mit Silber- oder Messing-Filamenten im Nano- oder Mikro-Isolationsfilament-Hohlfaserlumen. Auch andere geeignete, elektrisch leitenden Werkstoffe sind möglich.
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Vorzugsweise ist der Nano- oder Mikro-Hohlfaser-Umfang in zwei Umfangoberflächen, vorzugsweise in Richtung der Längsachse, aufgeteilt. Dabei bilden geometrische Längsverstärkungen die Wandungsverdickungen und beeinflussen so die Wärmeleitung. Auf diese Art und Weise wird die warme und kalte Seite am Isolationsumfang aufgeteilt. Vorzugsweise ist eine Streifenversteifung am Umfang vorgesehen, die, vorzugsweise um 180° versetzt, parallel verstärkend als Längsstreifen aufgetragen oder ausgebildet ist, zur Aufteilung des Umfangs in eine kalte und eine warme Hälfte. Dies erfolgt vorzugsweise durch zwei Ausstülpungen der Hohlfaserwandung.
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Vorzugsweise wird der Laterale Lumenraum auch als Isolationsraum angesehen. Die Leistungsdichte ist unter 10 µm Höhe des Flächengebildes vorzugsweise größer als 10 Watt je Quadratmeter. Vorzugsweise ist die Thermogenerator-Ladungsdichte von 20 bis 80 µm Durchmesser im Lumen von Textilhohlfasern in vorzugsweise Serienschaltung auf- oder eingezogen, beispielsweise wie ein Paternoster. Besonders bevorzugt sind 0,5 bis 4 µm Durchmesser und sensibilisierte Wandungsstärken von 0,01 bis 1 µm Dicke. Dünne Wandungen haben dabei eine günstigere Alpha-Zahl und bessere Wärmeleitungswerte.
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Vorzugsweise werden als Trägeroberflächen für die n- und p-dotierten Thermogeneratoren vorzugsweise Materialien aus Silizium in/an Polyvinyl-, Alkoholate-, Zellulose-, Styrol-, Viskose-, Acryl-, Gelatine-, Gel-, Solgel- und Proteine-Nano- und Mikro-Hohlfasern eingesetzt. Als Trägerwerkstoffe sind Zirkoniumoxid mit anderen Oxiden besonders geeignet, sowie Aluminiumoxide und Mischoxide, Glas und Spinelle, und als elektrische Leiter auch Graphit, Russ und Eisenbestandteile.
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Vorzugsweise wird der Thermogenerator in Verbindung mit der Exhalation der Atemluft und/oder mit Fingerdruckberührung vorgesehen, beispielsweise in Verbindung mit einer Personenüberprüfung für die Aktivierung von Berechtigungsüberprüfungen und Zugangsaktivierungen, gegebenenfalls mit zusätzlichem Spracherkennungssystemen.
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Gemäß einer anderen Verwendung wird der Thermogenerator zur Erzeugung von Energie für Implantate, z. B. Hör- oder Sehhilfen, vorgesehen.
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Der Thermogenerator kann mit Betriebsstoff-Medien um- oder durchströmt werden, z. B. wie ein Wärmetauscher, um die kalte und warme Seite des Thermogenerators zu beeinflussen oder zu regeln in Hinblick auf die Strom- und Spannungserzeugung. Damit kann auch eine Funktions- und Betriebsüberwachung bzw. -sicherung erfolgen.
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Vorzugsweise werden entsprechend ausgebildete Folien, auf welche Thermogeneratoren aufgebracht und in Serie verschaltet sind, zu Röhrchen ausgeformt, insbesondere zu textilen Nano-Röhrchen gewickelt, bspw. wendelförmig oder entlang der Längsachse gerollt, wobei gemäss der vorliegenden Erfindung – je nach Ausgestaltung – gegebenenfalls die Naht die kalte und warme Seite distanziert.
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Das Thermoelement ist in seiner Länge vorzugsweise aufwickelbar und somit quasi unendlich, bei Serienschaltung, bei gleichzeitig höchster Ladungsdichte, lateral ausgebildet. Die Distanzen und Höhen von n und p legen die Abstände von kalter und warmer Seite fest, gegebenenfalls zuzüglich der Naht.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, teilweise unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung, näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematisch Darstellung des Seebeck-Effekts,
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2 einen stark schematisch dargestellten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Hohlfaser,
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3 eine stark schematisierte, geschnitten und aufgerollt dargestellte Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels, und
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4 einen Schnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt einen Leiterkreis aus zwei verschiedenen Metallen oder Halbleitern, wobei die Temperatur an den beiden Lötstellen oder Übergängen verschieden groß ist, so dass in Folge des Seeback-Effektes ein Strom fließt. Hierbei kann die Thermospannung am Übergang durchaus größenmäßig 100 Mikrovolt je Kelvin betragen.
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2 zeigt eine Hohlfaser 1, welche aus zwei halbschalenförmigen Teilen 2 zusammengesetzt ist, die mittels zweier Klebenähte 3 miteinander verbunden sind. Hierbei wirkt die eine der Klebenähte 3 als warmer Übergang. Die zweite Klebenaht 4 dient, entsprechend der Darstellung von 1, als Isolation I, wobei im Bereich der Klebenaht 4 auch der kalte Übergang vorgesehen ist, wozu jeder der halbschalenförmigen Teile 2 mit einem elektrischen Leiter 5 verbunden ist und diese Leiter 5 durch eine Isolation I im Bereich der Hohlfaser 1 voneinander elektrisch getrennt sind. Ferner ist an der Außen- und Innenfläche jeweils eine Isolation I vorgesehen.
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Die Leiter 5 führen zu weiteren Leitern, die, ausgehend von anderen Hohlfasern, in einer Serienschaltung verschaltet sind und zu einem elektrischen Verbraucher (nicht dargestellt) führen, wobei es sich hierbei gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um ein Hörgerät handelt, zu dessen Stromversorgung die durch den Seebeck-Effekt gewonnene Energie infolge der Temperaturdifferenz zwischen Körpertemperatur und Umgebungstemperatur verwendet wird.
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Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die einzelnen Hohlfasern miteinander zu einem Stoff verstrickt.
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Gemäß dem im Folgenden beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Silizium-Hohlfaser mit p- und n-dotierten Bereichen versehen, wie in 3 schematisch als Draufsicht auf die Innenmantelfläche dargestellt, wobei p- bzw. n-dotierte Bereiche (p bzw. n) jeweils miteinander fluchtend in Längsrichtung der Hohlfaser voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Isolation ist nicht näher dargestellt, wie auch in den weiteren nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Auf Grund der Kontaktierungen K ergibt sich eine Serienschaltung mit einem mäanderförmigen Verlauf. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind vier derartige Mäander über die Innenmantelfläche verteilt angeordnet.
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Gemäß einem dritten, in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Silizium-Hohlfaser mit p- und n-dotierten Bereichen versehen. Eine Kontaktierung der Bereiche erfolgt an der Außenmantelfläche und der Innenmantelfläche, so dass wiederum ein mäanderförmiger Verlauf über die Längsrichtung der Hohlfaser hinweg vorgesehen ist. Eine derartige Hohlfaser ist beispielsweise zur Messung sehr kleiner Temperaturdifferenzen auf sehr kleinem Raum, beispielsweise zur Erkennung von Krebszellen, geeignet.
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Gemäß einem weiteren, nicht in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei ineinandergeschobene Hohlfasern vorgesehen, wobei jede Hohlfaser dotierte Bereiche aufweist, die äußere Hohlfaser auf ihrer Innenmantelfläche und die innere Hohlfaser (oder Vollfaser) auf ihrer Außenmantelfläche. Die Kontaktierung erfolgt durch Kontakte zwischen den beiden Hohlfasern, sie kann durch eine sägezahnartige Ausgestaltung, entsprechend einem abknickbaren Trinkhalm, einer der Hohlfasern unterstützt werden, wobei die sägezahnartige Ausgestaltung außerdem die textilen Eigenschaften unterstützt.
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Gemäß einem weiteren, nicht in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Hohlfaser durch zwei Hohlfaserhälften gebildet, wobei jede Hohlfaserhälfte eine mäanderförmige Anordnung von Thermoelementen aufweist.
