DE102014012585A1

DE102014012585A1 - Vorrichtung zur Bereistellung einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung eines Geschosselements erforderlichen elektrischen Betriebsenergie

Info

Publication number: DE102014012585A1
Application number: DE102014012585.8A
Authority: DE
Inventors: Harald Wich; Roland Hein; Sergio Moreno Lechado; Daniel Weiss
Original assignee: Diehl & Eagle Picher GmbH
Current assignee: Diehl & Eagle Picher GmbH
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2014-08-26
Publication date: 2016-03-03
Anticipated expiration: 2034-08-27
Also published as: DE102014012585B4

Abstract

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung (2) eines Geschosselements (1), insbesondere einer elektrischen Zündeinrichtung (3) zur Zündung einer zündbaren, insbesondere explosiven, Ladung (4) des Geschosselements (1), erforderlichen elektrischen Betriebsenergie, umfassend: – wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung (5), welche zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge eingerichtet ist, und – wenigstens eine der wenigstens einen oder wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung (3) zuordenbare oder zugeordnete, mit der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung (5) thermisch koppelbare oder gekoppelte thermoelektrische Wandlereinrichtung (6), welche zur Wandlung der oder einer von der Wärmeerzeugungseinrichtung (5) erzeugten Wärmemenge in eine für den Betrieb der wenigstens einen Zündeinrichtung (3) erforderliche elektrische Betriebsenergie eingerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung eines Geschosselements, insbesondere einer elektrischen Zündeinrichtung zur Zündung einer zündbaren Ladung eines Geschosselements, erforderlichen elektrischen Betriebsenergie.
Geschosselemente, wie sie insbesondere in der Wehr- und Waffentechnik eingesetzt werden, sind typischerweise mit Zündeinrichtungen versehen, welche insbesondere dazu dienen, eine zündbare, insbesondere explosive, Ladung der Geschosselemente zu einem bestimmten Zeitpunkt definiert zu zünden. In diesem Zusammenhang sind elektrische, d. h. elektrisch betreibbare, Zündeinrichtungen bekannt. Zur Inbetriebnahme respektive für den Betrieb derartiger elektrischer Zündeinrichtungen ist also eine bestimmte elektrische Energiemenge bereitzustellen bzw. zu erzeugen.
Bisherige Vorkehrungen zur Bereitstellung bzw. Erzeugung einer für den Betrieb einer elektrischen Zündeinrichtung eines Geschosselements erforderlichen elektrischen Betriebsenergie respektive zur elektrischen Energieversorgung entsprechender Zündeinrichtungen umfassen in der Regel separate elektrische Energiespeicher, insbesondere so genannte elektrische Thermal- oder Zünderbatterien, was den Gesamtaufbau eines entsprechenden Geschosselements aufwändig und wenig kompakt gestaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine, insbesondere im Hinblick auf einen kompakten, gleichwohl zuverlässigen Aufbau, verbesserte Vorrichtung zur Bereitstellung einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung eines Geschosselements erforderlichen elektrischen Betriebsenergie anzugeben.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, welche sich durch wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung, welche zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge eingerichtet ist, und wenigstens eine der wenigstens einen oder wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung zuordenbare oder zugeordnete, mit der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung thermisch koppelbare oder gekoppelte thermoelektrische Wandlereinrichtung, welche zur Wandlung der oder einer von der Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugten Wärmemenge in eine für den Betrieb der wenigstens einen Zündeinrichtung erforderliche elektrische Betriebsenergie eingerichtet ist, auszeichnet.
Die Vorrichtung dient im Allgemeinen der Bereitstellung bzw. der Erzeugung einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung, kurz Zünder, eines Geschosselements erforderlichen elektrischen Betriebsenergie. Über die Vorrichtung kann sonach die für die Inbetriebnahme einer geschosselementseitigen elektrischen Zündeinrichtung erforderliche elektrische Betriebsenergie bereitgestellt bzw. erzeugt werden. Die über die Vorrichtung betreibbare elektrische Zündeinrichtung kann beispielsweise einer geschosselementseitigen zündbaren, insbesondere explosiven, Ladung zugeordnet sein und somit der definierten Zündung einer solchen Ladung dienen. Selbstverständlich ist es prinzipiell denkbar, dass über die Vorrichtung nur ein bestimmter Teil einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung eines Geschosselements erforderlichen elektrischen Betriebsenergie bereitgestellt bzw. erzeugt wird und ein weiterer Teil über eine andere Einrichtung, wie z. B. einen elektrischen Energiespeicher, bereitgestellt wird.
Unter einem Geschosselement ist im Allgemeinen ein Gegenstand der Wehr- bzw. Waffentechnik zu verstehen, welcher sich, z. B. durch Abschuss, Abwurf oder eigenen Antrieb, auf ein Zielobjekt beschleunigen lässt. Konkret kann es sich bei dem Geschosselement sonach beispielsweise um ein Munitionselement handeln, welches auf ein Zielobjekt abgeschossen wird. Das Geschosselement kann, wie erwähnt, jedoch auch einen eigenen Antrieb umfassen. Bei dem Geschosselement kann es sich sonach beispielsweise auch um ein, insbesondere lenk- bzw. steuerbares, Raketenelement handeln.
Die Vorrichtung umfasst als wesentliche Bestandteile wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung und wenigstens eine mit der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung thermisch koppelbare oder gekoppelte thermoelektrische Wandlereinrichtung. Unter einer thermischen Kopplung ist zu verstehen, dass zwischen der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung und der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung eine Wärmeübertragung möglich ist. Die thermische Kopplung zwischen der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung und der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung ist typischerweise derart ausgestaltet, dass eine mittels der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugte Wärmemenge auf die wenigstens eine thermoelektrische Wandlereinrichtung übertragbar ist.
Wenngleich im Weiteren hauptsächlich von einer Wärmeerzeugungseinrichtung bzw. einer thermoelektrischen Wandlereinrichtung die Rede ist, ist es selbstverständlich möglich, dass die Vorrichtung mehrere Wärmeerzeugungseinrichtungen und/oder mehrere thermoelektrische Wandlereinrichtungen umfasst.
Die Wärmeerzeugungseinrichtung dient funktional betrachtet der gezielten Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge. Die Wärmeerzeugungseinrichtung kann insofern auch als Heizsatz bezeichnet bzw. erachtet werden.
Die, wie erwähnt, mit der Wärmeerzeugungseinrichtung thermisch koppelbare oder gekoppelte thermoelektrische Wandlereinrichtung dient funktionell betrachtet der eigentlichen Bereitstellung bzw. Erzeugung der für den Betrieb bzw. für die Inbetriebnahme wenigstens einer geschosselementseitigen elektrischen Zündeinrichtung erforderlichen elektrischen Betriebsenergie. Die thermoelektrische Wandlereinrichtung ist deshalb wenigstens einer geschosselementseitigen elektrischen Zündeinrichtung zuordenbar oder zugeordnet. Der Begriff der Zuordnung bzw. der Zuordenbarkeit ist in diesem Zusammenhang nicht dahingehend einschränkend zu verstehen, dass die thermoelektrische Wandlereinrichtung nur und ausschließlich und/oder direkt und unmittelbar einer Zündeinrichtung zugeordnet oder zuordenbar ist. Vielmehr ist es auch möglich, dass die thermoelektrische Wandlereinrichtung auch beispielsweise einem Speicher, Wandler oder allgemein einer Managementschaltung zugeordnet ist oder dass die thermoelektrische Wandlereinrichtung über den Speicher, Wandler oder die Managementschaltung der Zündeinrichtung zugeordnet oder mit der Zündeinrichtung wirkverbunden oder gekoppelt ist. Dabei ist die Managementschaltung vorzugsweise dafür eingerichtet, den elektrischen Energiefluss zwischen thermoelektrischer Wandlereinrichtung (= Energieerzeuger) und Zündeinrichtung (= Energieverbraucher) zu regeln. Dies kann beispielsweise durch Aufwärts- und/oder Abwärtswandler in Verbindung mit oder ohne Speicher erfolgen. Auch eine Regelung mittels Maximum Power Point Tracking (MPP-Tracking) ist denkbar.
Die thermoelektrische Wandlereinrichtung ist strukturell als Energiewandler ausgebildet bzw. eingerichtet derart, dass sie thermische Energie (Wärmeenergie), wie sie im Zusammenhang mit der Vorrichtung von der Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugt wird, in elektrische Energie, insbesondere elektrische Spannung und Strom, umwandeln kann. Die thermoelektrische Wandlereinrichtung ist demnach als thermoelektrisches Element ausgebildet bzw. umfasst wenigstens ein thermoelektrisches Element. Die genaue Ausbildung bzw. Funktionsweise der thermoelektrischen Wandlereinrichtung wird weiter unten näher erläutert.
Aus vorstehenden Ausführungen ergibt sich, dass im Allgemeinen eine Wirkverbindung zwischen der Wärmeerzeugungseinrichtung und der thermoelektrischen Wandlereinrichtung sowie zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung und einer elektrischen Zündeinrichtung besteht bzw. sich eine solche Wirkverbindung ausbilden lässt. Die elektrische Zündeinrichtung kann dabei ebenso einen Teil der Vorrichtung bilden.
Die Vorrichtung stellt ein kompaktes und zuverlässiges Prinzip zur elektrischen Versorgung wenigstens einer geschosselementseitigen elektrischen Zündeinrichtung dar. Auf bisherige Vorkehrungen zur Bereitstellung bzw. Erzeugung einer für den Betrieb entsprechender elektrischer Zündeinrichtungen erforderlichen elektrischen Betriebsenergie respektive zur elektrischen Energieversorgung entsprechender Zündeinrichtungen, wie beispielsweise separate elektrische Energiespeicher, insbesondere elektrische Thermal- oder Zünderbatterien, kann typischerweise verzichtet werden. Zumindest können diese, soweit zusätzlich vorhanden, typischerweise in ihrer Leistungsdichte reduziert werden.
Selbstverständlich umfasst die Vorrichtung geeignete elektrische Verbindungsmittel, insbesondere Anschlüsse, über welche sich die von der thermoelektrischen Wandlereinrichtung gewandelte elektrische Energie, insbesondere elektrische Spannung und Strom, an eine entsprechende Zündeinrichtung übertragen lässt.
Die Wärmeerzeugungseinrichtung kann derart konzipiert sein, dass sie bei Einbringen einer mechanischen und/oder thermischen Aktivierungsenergie zur Erzeugung der oder einer bestimmten Wärmemenge eingerichtet ist. Um also vermittels der Wärmeerzeugungseinrichtung eine bestimmte Wärmemenge zu erzeugen, kann es demnach erforderlich sein, in diese eine bestimmte Aktivierungsenergie einzubringen. Bei der Aktivierungsenergie kann es sich um eine mechanische und/oder thermische Energie handeln. Es ist also wenigstens eine geeignete Aktivierungseinrichtung vorzusehen, über welche sich eine mechanische und/oder thermische Aktivierungsenergie ausbilden und in die Wärmeerzeugungseinrichtung einbringen lässt derart, dass Letztere eine bestimmte Wärmemenge erzeugt. Art und Funktionsweise einer entsprechenden Aktivierungseinrichtung ist sonach typischerweise in Abhängigkeit der konkreten Ausgestaltung der Wärmeerzeugungseinrichtung, insbesondere in Abhängigkeit der Art der für die Erzeugung einer Wärmemenge erforderlichen Aktivierungsenergie, zu wählen. Beispielhafte Ausführungsformen entsprechender Aktivierungseinrichtungen werden im Weiteren im Zusammenhang mit beispielhaften Ausführungsformen entsprechender Wärmeerzeugungseinrichtungen beschrieben. Die oder wenigstens eine Aktivierungseinrichtung kann ebenso einen Teil der Vorrichtung bilden.
Eine Wärmeerzeugungseinrichtung kann in einer ersten beispielhaften Ausführungsform als ein aus mehreren in abwechselnder Reihenfolge stapelartig, insbesondere übereinander, angeordneten Lagen wenigstens zweier chemisch bzw. strukturell unterschiedlicher Metalle gebildetes Mehrlagenelement ausgebildet sein oder wenigstens ein solches umfassen. Das Mehrlagenelement kann beispielsweise durch abwechselnde stapelartige Anordnung einer Lage aus einem ersten Metall, welches Aluminium ist oder Aluminium umfasst, und einer Lage aus einem weiteren bzw. zweiten Metall, welches Nickel ist oder Nickel umfasst, gebildet sein. Das Mehrlagenelement ist dabei derart ausgebildet bzw. eingerichtet, dass bei mechanischer Aktivierung, d. h. bei Einbringen einer bestimmten mechanischen Aktivierungsenergie, insbesondere über wenigstens eine mechanische Aktivierungseinrichtung, wenigstens ein exothermer Vorgang, insbesondere unter Ausbildung einer intermetallischen Phase, zur Erzeugung der oder einer bestimmten Wärmemenge erfolgt. Es ist möglich, dass das Mehrlagenelement zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, in ein thermisch leitfähiges Drittmaterial eingebettet bzw. von einem solchen umgeben ist. Dies kann z. B. zweckmäßig sein, um das Mehrlagenelement vor äußeren, z. B. korrosiv wirkenden, Einflüssen zu schützen.
Die Erzeugung von Wärme vermittels eines entsprechenden Mehrlagenelements basiert darauf, dass durch (lokales) Einbringen einer mechanischen Aktivierungsenergie, d. h. typischerweise einer Kraft, die oder ein Teil der das Mehrlagenelement bildenden Lagen zumindest abschnittsweise derart gegeneinander bewegt bzw. verformt werden, dass wenigstens ein exothermer Vorgang, insbesondere unter Ausbildung einer intermetallischen Phase, erfolgt. Eine geeignete mechanische Aktivierungseinrichtung zur Bereitstellung einer mechanischen Aktivierungsenergie kann beispielsweise ein auf das Mehrlagenelement beschleunigbarer Schlagbolzen sein oder wenigstens einen solchen umfassen. Über einen Beschleunigungsvorgang des Schlagbolzens, d. h. die in diesem Zusammenhang erzeugbare bzw. erzeugte mechanische, insbesondere kinetische, Energie wird die für die mechanische Aktivierung des Mehrlagenelements erforderliche mechanische Aktivierungsenergie bereitgestellt, d. h. das Mehrlagenelement mechanisch aktiviert. Die mechanische Aktivierungseinrichtung kann mit einer Sicherung ausgestattet sein, so dass diese nur unter bestimmten Bedingungen betätigbar und somit zur Einbringung der mechanischen Aktivierungsenergie in die Wärmeerzeugungseinrichtung eingerichtet ist.
Bei einem entsprechenden Mehrlagenelement kann es sich entsprechend insbesondere um eine so genannte reaktive Nanofolie handeln. Eine solche reaktive Nanofolie besteht aus mehreren in abwechselnder Reihenfolge stapelartig übereinander angeordneten Lagen chemisch bzw. strukturell unterschiedlicher, nano- oder mikroskaliger Metallfolien. Insbesondere kommen dabei nano- oder mikroskalige Aluminium- und Nickelfolien in entsprechend abwechselnder stapelartiger Anordnung in Betracht. Durch Einbringen einer hinreichend hohen mechanischen Aktivierungs- bzw. Verformungsenergie bildet sich eine intermetallische Phase, wobei es sich um einen exothermen Vorgang handelt.
Die Verwendung entsprechender Mehrlagenelemente, d. h. insbesondere entsprechender reaktiver Nanofolien, bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Zum einen ist eine rein mechanische Aktivierung der Wärmeerzeugungseinrichtung möglich. Die erforderliche mechanische Aktivierungsenergie kann allein über eine entsprechende mechanische Aktivierungseinrichtung in die Wärmeerzeugungseinrichtung eingebracht werden. Es sind also typischerweise keine gesonderten Zündelemente zur Erzeugung einer entsprechenden Aktivierungsenergie für die Wärmeerzeugungseinrichtung vorzusehen. Zum anderen weisen entsprechende Mehrlagenelemente eine besonders hohe Reaktionsgeschwindigkeit auf, sodass die über die Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugte Wärmemenge besonders schnell in die thermoelektrische Wandlereinrichtung eingekoppelt werden kann. Außerdem führt die Verwendung entsprechender Mehrlagenelemente im Zusammenhang mit der Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge typischerweise nicht zu einer Gasentwicklung. Im Übrigen ergeben sich fertigungstechnische Vorteile, auf welche weiter unten im Zusammenhang mit bestimmten Verfahren zu Herstellung der beschriebenen Vorrichtung näher eingegangen wird.
Alternativ dazu kann die oder eine Wärmeerzeugungseinrichtung in einer weiteren beispielhaften Ausführungsform als pyrotechnisches Element, enthaltend wenigstens ein zündbares Zündmaterial, insbesondere in Form einer Chlorat- oder Perchloratverbindung, ausgebildet sein oder wenigstens ein solches umfassen. Das pyrotechnische Element ist derart ausgebildet bzw. eingerichtet, dass bei thermischer Aktivierung, d. h. bei Einbringen einer bestimmten thermischen Aktivierungsenergie, insbesondere über wenigstens eine thermische Aktivierungseinrichtung, wenigstens ein exothermer Vorgang des Zündmaterials zur Erzeugung der oder einer bestimmten Wärmemenge erfolgt. Die Erzeugung von Wärme eines entsprechenden pyrotechnischen Elements basiert also darauf, dass durch (lokales) Einbringen einer thermischen Aktivierungsenergie, d. h. typischerweise Wärme, ein zündbares Zündmaterial, insbesondere in Form einer Chlorat- oder Perchloratverbindung, wie z. B. Kaliumchlorat, oder eines unter der Handelsbezeichnung Thermit bekannten Gemischs aus pulverartigem Eisen(III)oxid und Aluminium, gezündet wird, wobei es wenigstens einen exothermen Vorgang, insbesondere wenigstens eine exotherme Reaktion, ausführt.
Eine entsprechende thermische Aktivierungseinrichtung kann beispielsweise als ein dem pyrotechnischen Element zuordenbares oder zugeordnetes Zündelement ausgebildet sein oder wenigstens ein solches umfassen. Das Zündelement führt bei Einbringen einer bestimmten mechanischen Energie einen Zündvorgang durch, über welchen Zündvorgang die für den wenigstens einen exothermen Vorgang des Zündmaterials des pyrotechnischen Elements erforderliche thermische Aktivierungsenergie bereitstellbar oder bereitgestellt ist. Ein entsprechendes Zündelement ist also derart ausgebildet bzw. eingerichtet, dass dieses durch Einbringen einer bestimmten mechanischen Energie zündbar ist, d. h. einen exothermen Vorgang ausführt. Über den Zündvorgang des Zündelements, d. h. die in diesem Zusammenhang erzeugbare bzw. erzeugte thermische Energie, wird die für die Aktivierung des pyrotechnischen Elements erforderliche thermische Aktivierungsenergie bereitgestellt, d. h. das pyrotechnische Element thermisch aktiviert bzw. gezündet.
Die Einbringung einer entsprechenden mechanischen Energie in das Zündelement zur Zündung desselbigen kann beispielsweise über einen auf das Zündelement beschleunigbaren Schlagbolzen realisiert sein. Der Schlagbolzen kann Teil einer mechanischen Aktivierungseinrichtung sein, welche zum Abschuss oder Abwurf eines mit der Vorrichtung ausgestatteten Geschosselements zu betätigten ist. Diese mechanische Aktivierungseinrichtung kann ebenso mit einer Sicherung ausgestattet sein, so dass diese nur unter bestimmten Bedingungen betätigbar und somit zur Einbringung der mechanischen Energie in das Zündelement eingerichtet ist. Ein entsprechendes Zündelement kann insofern als so genanntes Zündhütchen bezeichnet bzw. erachtet werden.
Das pyrotechnische Element kann zusätzlich, d. h. neben dem Zündmaterial, wenigstens ein thermisch leitfähiges Leitmaterial, insbesondere Eisen und/oder eine Eisenverbindung oder umfassend Eisen und/oder eine Eisenverbindung, enthalten. Aufgabe und Zweck des Leitmaterials ist die Speicherung und, gegebenenfalls gezielte, Verteilung der bei einer thermischen Aktivierung des Zündmaterials erzeugten Wärme innerhalb des pyrotechnischen Elements. Eine gezielte Verteilung von Wärme innerhalb des pyrotechnischen Elements kann beispielsweise durch die Realisierung bestimmter thermisch gut leitfähiger Pfade, welche etwa mittels einer gradierten Ausbildung bzw. Verteilung entsprechender Leitmaterialien innerhalb des pyrotechnischen Elements bzw. innerhalb des Zündmaterials, umgesetzt sein kann, realisiert sein. Das Leitmaterial kann grundsätzlich in Form einer chemischen Verbindung mit dem Zündmaterial vorliegen. In Anbetracht der weiter oben beispielhaft genannten konkreten Ausführungsformen des Zündmaterials als Perchloratverbindung ist es sonach z. B. möglich, dass das Zündmaterial nebst Leitmaterial in Form der chemischen Verbindung Eisenkaliumperchlorat (FeKClO₄) vorliegt.
Gemäß einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform einer entsprechenden Wärmeerzeugungseinrichtung kann es vorgesehen sein, die beiden vorgenannten beispielhaften Ausführungsformen gezielt miteinander zu kombinieren. Dabei kann wenigstens ein Mehrlagenelement thermisch mit wenigstens einem pyrotechnischen Element gekoppelt sein, wobei die über das Mehrlagenelement erzeugbare oder erzeugte Wärmemenge die oder einen Teil der thermischen Aktivierungsenergie für den wenigstens einen exothermen Vorgang des wenigstens einen pyrotechnischen Elements bildet. Mithin lässt sich die über eine mechanische Aktivierung des Mehrlagenelements erzeugbare Wärmemenge als thermische Aktivierungsenergie für ein mit diesem thermisch unmittelbar oder mittelbar gekoppeltes pyrotechnisches Element nutzen. Das Mehrlagenelement kann sonach als thermische Aktivierungseinrichtung für das pyrotechnische Element dienen. Eine unmittelbare thermische Kopplung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass ein Mehrlagenelement unmittelbar auf einem pyrotechnischen Element angeordnet ist. Eine mittelbare thermische Kopplung kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass zwischen einem Mehrlagenelement und einem pyrotechnischen Element wenigstens ein thermisch leitfähiger Drittgegenstand angeordnet ist, über welchen die von dem mechanisch aktivierten Mehrlagenelement erzeugte Wärmemenge in das thermische zu aktivierende pyrotechnische Element übertragen werden kann. Auf gesonderte Maßnahmen, d. h. insbesondere thermische Aktivierungseinrichtungen, wie z. B. entsprechende Zündelemente, zur thermischen Aktivierung des pyrotechnischen Elements kann hier gegebenenfalls verzichtet werden.
Die thermoelektrische Wandlereinrichtung ist typischerweise aus mehreren ersten und mehreren zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen gebildet oder umfasst mehrere erste und mehrere zweite thermoelektrische Wandlerelemente. Dabei unterscheiden sich die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente von den zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen insbesondere in ihren thermoelektrischen Eigenschaften, insbesondere in ihren Seebeck-Koeffizienten (bezüglich eines Referenzmaterials). Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente sind sonach typischerweise aus unterschiedlichen Elementen der thermoelektrischen Spannungsreihe gebildet. Ein jeweiliges erstes und ein diesem unmittelbar benachbart angeordnetes zweites thermoelektrisches Wandlerelement kann als thermoelektrisches Paar bezeichnet bzw. erachtet werden.
Die materialmäßige Ausbildung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente erfolgt zweckmäßig dahin, dass sich durch die mit diesen ausbildbaren bzw. ausgebildeten thermoelektrischen Paare ein (betragsmäßig) möglichst hoher Seebeck-Koeffizient ausbilden lässt. In Abhängigkeit des Vorzeichens der jeweiligen Seebeck-Koeffizienten der thermoelektrischen Wandlerelemente relativ zu einem Referenzmaterial, wie z. B. Platin, können diese als p-Wandlerelemente (für positive Seebeck-Koeffizienten) und n-Wandlerelemente (für negative Seebeck-Koeffizienten) bezeichnet bzw. erachtet werden. Dabei kann es sich bei jeweiligen ersten thermoelektrischen Wandlerelementen um p-Wandlerelemente und bei jeweiligen zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen um n-Wandlerelemente handeln, oder umgekehrt. Selbstverständlich werden bei der materialmäßigen Ausbildung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente typischerweise weitere, insbesondere anwendungsbezogene, Parameter der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, wie z. B. Einsatztemperaturen etc., berücksichtigt.
Jeweilige erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente können gleicher oder ungleicher geometrischer Gestalt, d. h. insbesondere gleicher oder ungleicher Abmessungen bzw. Form, sein. Jeweilige erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente können sonach symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sein. Mithin können sich jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente in ihrer geometrischen Gestalt von jeweiligen zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen unterscheiden. Unter fertigungstechnischen Aspekten kann eine symmetrische Ausbildung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente vorteilhaft sein.
Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente sind typischerweise derart angeordnet, dass jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente mit jeweils benachbart angeordneten zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen elektrisch in einer Reihenschaltung und thermisch in einer Parallelschaltung gekoppelt bzw. verbunden sind. Dabei ist es grundsätzlich möglich, die jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente unmittelbar oder mittelbar, d. h. unter Zwischenschaltung wenigstens eines, insbesondere elektrisch bzw. thermisch leitfähigen, Drittgegenstands, benachbart anzuordnen. Im Hinblick auf die weiter oben genannte Möglichkeit der Ausbildung jeweiliger erster thermoelektrischer Wandlerelemente als p-Wandlerelemente und jeweiliger zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente als n-Wandlerelemente, kann sonach eine abwechselnde Anordnung von p- und n-Wandlerelementen vorliegen.
Bevorzugt sind die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente jeweils aus einem metallischen Werkstoff, d. h. einem Metall oder einer Metalllegierung, gebildet oder umfassen ein Metall oder eine Metalllegierung. Die Ausbildung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente aus einem metallischen Werkstoff bedingt eine hohe mechanische wie auch thermische Stabilität der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, welche insbesondere mit aus Halbleitermaterialien gebildeten und sonach mechanisch wie auch thermisch im Vergleich deutlich weniger beanspruchbaren thermoelektrischen Wandlerelementen nicht möglich wäre. Dies ergibt sich insbesondere aus den Wärmemengen und daraus resultierenden Temperaturen, typischerweise oberhalb 1200°C, welche sich z. B. über entsprechende pyrotechnische Elemente realisieren lassen. Vorteil der Verwendung eines metallischen Werkstoffs für die thermoelektrischen Wandlerelemente ist ferner, dass Metall im Vergleich zu Halbleitern höhere elektrische Leitfähigkeiten aufweist. Daraus resultiert ein geringerer Innenwiderstand des thermoelektrischen Wandlerelements, welcher wiederum für die Entnahme hoher elektrischer Leistungen (neben einer hohen Spannung) von Bedeutung ist.
Auch die Verwendung von Metall-Siliziden und/oder Metall-Oxiden für die thermoelektrischen Wandlerelemente ist möglich. Diese sind jedoch relativ schwer zu verarbeiten.
Wie erwähnt, ist grundsätzlich eine in einem möglichst hohen Seebeck-Koeffizienten resultierende Paarung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente anzustreben. Entsprechend können erste thermoelektrische Wandlerelemente beispielsweise aus einer Nickel-Chrom-Legierung (anteilsmäßig 90% Nickel, 10% Chrom) und zweite thermoelektrische Wandlerelemente beispielsweise aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (anteilsmäßig 55% Kupfer, 45% Chrom) gebildet sein. Eine Kombination derartiger thermoelektrischer Wandlerelemente resultiert in einem Seebeck-Koeffizienten von ca. 60 μV/K pro Paarung eines ersten und eines zweiten thermoelektrischen Wandlerelements.
Zweckmäßig sind die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente dabei unter Ausbildung einer platten- oder (ring)scheibenförmigen Gestalt der thermoelektrischen Wandlereinrichtung angeordnet. Die thermoelektrische Wandlereinrichtung weist sonach typischerweise eine ebene bzw. flache („zweidimensionale”) geometrische Gestalt auf. Dabei sind insbesondere platten- oder (ring)scheibenförmige Grundformen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung möglich. Hierunter fallen sowohl viereckige, insbesondere quadratische oder rechteckige, Grundformen als auch (kreis)runde bzw. rundliche, d. h. insbesondere elliptische, im Allgemeinen von einer idealen Kreiskontur abweichende, Grundformen. Die Grundform der thermoelektrischen Wandlereinrichtung kann also zumindest abschnittsweise symmetrisch, insbesondere rotationssymmetrisch, oder zumindest abschnittsweise asymmetrisch sein. Selbstverständlich ist die Grundform der thermoelektrischen Wandlereinrichtung grundsätzlich in Abhängigkeit weiterer, insbesondere anwendungsbezogener, Parameter festzulegen.
Unabhängig von der Grundform der thermoelektrischen Wandlereinrichtung können die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente in einer (einzigen) gemeinsamen Ebene oder in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sein, wobei die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente unterhalb der zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente angeordnet sind, oder umgekehrt. In beiden Fällen lässt sich die bevorzugte ebene bzw. flache Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung realisieren.
Allgemeinen ist die Grundform bzw. geometrische Gestalt der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, wie erwähnt, und die sich daraus ergebende Grundform bzw. geometrische Gestalt der thermoelektrischen Wandlerelemente sowie deren Anordnung relativ zueinander im Hinblick auf eine konkrete Anwendungssituation der Vorrichtung zu wählen.
Anhand vorstehender Ausführungen zu der materialmäßigen Ausbildung der thermoelektrischen Wandlerelemente lässt sich das Funktionsprinzip der thermoelektrischen Wandlereinrichtung näher erläutern. Dieses beruht auf dem Seebeck-Effekt, gemäß welchem sich zwischen zwei unterschiedlichen thermisch bzw. elektrisch in bestimmten Kontaktbereichen kontaktierten elektrischen Leiterelementen, d. h. vorliegend jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen, bei einer Temperaturdifferenz bzw. einem Temperaturgradienten zwischen den Kontaktbereichen eine elektrische Spannung einstellt. Es ist dabei nicht zwingend erforderlich, dass die jeweiligen Leiterelemente unmittelbar kontaktiert sind, da der Seebeck-Effekt keine Erscheinung des jeweiligen Kontaktbereichs der Leiterelemente ist, sondern insbesondere auf einer Elektronen- bzw. Fehlstellenverschiebung innerhalb der jeweiligen Leiterelemente beruht, für welche eine unmittelbare Kontaktierung entsprechender Leiterelemente nicht zwingend erforderlich ist. Mithin ist es auch möglich, jeweilige Leiterelemente, vorliegend jeweilige erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente, mittelbar über einen elektrisch bzw. thermisch leitfähigen Drittgegenstand zu kontaktieren.
Die Ausbildung und zumindest zeitweise Erhaltung des erforderlichen Temperaturgradienten zwischen entsprechenden Kontaktbereichen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente erfolgt insbesondere durch die besondere Anordnung und geometrische Ausbildung der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente, welche es insbesondere ermöglicht, diese jeweils nur einseitig thermisch mit der Wärmeerzeugungseinrichtung zu koppeln. Die jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente weisen entsprechend typischerweise jeweilige der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandte Bereiche („Heißseite”), insbesondere Endbereiche, und jeweilige der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandte Bereiche („Kaltseite”), insbesondere Endbereiche, auf. Sowohl in den jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereichen als auch in den jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandten Bereichen ist typischerweise ein unmittelbarer oder mittelbarer Kontaktbereich zwischen jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen gebildet. Mit anderen Worten lässt sich über die Wärmeerzeugungseinrichtung Wärme typischerweise nur über jeweilige der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandte Bereiche bzw. Heißseiten der jeweiligen ersten und zweiten Wandlerelemente thermoelektrischen in die Wandlerelemente einkoppeln.
Zweckmäßig sind die Flächen- oder Volumenabschnitte jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandter wandlerelementseitiger Bereiche, insbesondere Endbereiche, erheblich kleiner als die Flächen- oder Volumenabschnitte jeweiliger der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandter wandlerelementseitiger Bereiche, insbesondere Endbereiche. Das Flächen- bzw. Volumenverhältnis jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandter Bereiche jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente zu jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereichen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente kann beispielsweise größer 10 sein. Derart lässt sich, wie weiter unten näher erläutert wird, eine hohe Temperaturdifferenz zwischen jeweiligen Heißseiten und jeweiligen Kaltseiten jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente ausbilden bzw. aufrechterhalten.
Die beschriebene flächen- bzw. volumenmäßig unterschiedliche Ausführung jeweiliger wandlerelementseitiger Heiß- und Kaltseiten hat zweckmäßig einen zwischen jeweiligen wandlerelementseitigen Heiß- und Kaltseiten veränderlichen Querschnittsverlauf zur Folge. Entsprechend erweitert bzw. vergrößert sich die Querschnittsfläche zumindest eines Teils der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente, typischerweise sämtlicher erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, insbesondere ausgehend von jeweiligen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereichen (Heißseiten). Geht man von dem beispielhaften Falle länglicher erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente aus, erweitert bzw. vergrößert sich deren Querschnitt sonach in Richtung deren jeweiliger Längserstreckung ausgehend von jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereiche in Richtung jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandter Bereiche.
Die Erweiterung bzw. Vergrößerung des Querschnitts jeweiliger thermoelektrischer Wandlerelemente kann stetig erfolgen. Dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann die Erweiterung bzw. Vergrößerung des Querschnitts auch nicht stetig, d. h. insbesondere sprunghaft oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Stufen, sein.
Sofern es sich bei jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen um längliche Bauelemente handelt, können die ersten bzw. zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente jeweils eine, insbesondere Z-artige bzw. Z-förmige, Gestalt mit winklig, d. h. z. B. lotrecht, von einem länglichen Zentralabschnitt abragenden Seitenfortsätzen aufweisen. Dabei können jeweilige von einem der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten wandlerelementseitigen Bereich, d. h. einer jeweiligen Heißseite, abragende innere Seitenfortsätze in einer anderen Richtung von dem länglichen Zentralabschnitt abragen als jeweilige von einem der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandten wandlerelementseitigen Bereich, d. h. einer jeweiligen Kaltseite, abragende äußere Seitenfortsätze. Entsprechende Seitenfortsätze ragen also in der Regel von unterschiedlichen Querschnittsbereichen von einem länglichen Zentralabschnitt ab. Entsprechende Seitenfortsätze bilden dabei in der Regel die elektrischen und thermischen Kontaktbereiche zwischen benachbart angeordneten ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform geometrisch unterschiedlicher bzw. asymmetrischer erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente können jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente eine wie vorstehend beschriebene geometrische Gestalt mit von einem länglichen Zentralabschnitt abragenden Seitenfortsätzen aufweisen. Jeweilige zweite thermoelektrische Wandlerelemente können einzig aus einem länglichen Zentralabschnitt ohne entsprechende Seitenfortsätze gebildet sein. Die zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente können in diesem Fall, insbesondere parallel zu entsprechenden länglichen Zentralabschnitten jeweiliger erster thermoelektrischer Wandlerelemente, zwischen inneren und äußeren Seitenfortsätzen jeweils benachbart angeordneter erster thermoelektrischer Wandlerelemente angeordnet sein.
Insbesondere für die, wie beschrieben, bevorzugte metallische Ausführung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente lässt sich durch die beschriebene flächen- bzw. volumenmäßig unterschiedliche Ausbildung zwischen den Heiß- und Kaltseiten jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente ein zufriedenstellender Kompromiss zwischen den über das Wiedemann-Franzsche Gesetz korrelierten physikalischen Größen, d. h. der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe, herstellen. Gemäß dem Wiedemann-Franzschen Gesetz ist das Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit zu thermischer Leitfähigkeit eines metallischen Werkstoffs nahezu proportional zur Temperatur des metallischen Werkstoffs; es besteht also eine direkte Proportionalität zwischen der elektrischen und der thermischen Leitfähigkeit eines metallischen Werkstoffs.
Für einen hohen Wirkungsgrad der Vorrichtung respektive der thermoelektrischen Wandlereinrichtung ist eine hohe Temperaturdifferenz zwischen jeweiligen wandlerelementseitigen Heißseiten, d. h. jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereichen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, und jeweiligen wandlerelementseitigen Kaltseiten, d. h. jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandten Bereichen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, erforderlich. Für die Ausbildung und Aufrechterhaltung einer hohen Temperaturdifferenz wäre eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente erstrebenswert. Gleichermaßen wäre im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften der thermoelektrischen Wandlereinrichtung ein möglichst kleiner elektrischer Widerstand, d. h. eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit, der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente erstrebenswert.
Diesem in Anbetracht des Wiedemann-Franzschen Gesetzes gegebenen vermeintlichen Konflikt wird durch die besondere geometrische Gestalt der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente Rechnung getragen: die thermoelektrischen Wandlerelemente werden, wie erwähnt, zweckmäßig derart ausgebildet, dass deren Heißseiten flächen- bzw. volumenmäßig erheblich kleiner als deren Kaltseiten ausgebildet werden. Die Heißseiten der thermoelektrischen Wandlerelement weisen sonach eine im Vergleich zu den Kaltseiten geringere Wärmekapazität auf, so dass die über die Wärmeerzeugungseinrichtung in die Heißseiten eingebrachte Wärmemenge geometriebedingt, d. h. aufgrund der im Vergleich erheblich kleineren Flächen bzw. Volumina, insbesondere Querschnitte, der Heißseiten, möglichst schlecht an die Kaltseiten abgegeben wird. Derart lässt sich eine vergleichsweise hohe Temperatur der Heißseiten und eine daraus resultierende vergleichsweise hohe Temperaturdifferenz zwischen jeweiligen wandlerelementseitigen Heiß- und Kaltseiten ausbilden und vergleichsweise lange aufrechterhalten. Die damit verbundene vergleichsweise schlechte elektrische Leitfähigkeit der wandlerelementseitigen Heißseiten kann über die beschriebene Erweiterung bzw. Vergrößerung des Querschnitts ausgehend von jeweiligen wandlerelementseitigen Heißseiten in Richtung jeweiliger wandlerelementseitiger Kaltseiten kompensiert werden.
Aus vorstehenden Ausführungen lässt sich eine Vielzahl an möglichen Einflussgrößen auf die thermoelektrischen bzw. elektrischen Eigenschaften und somit die Leistungsfähigkeit bzw. den Wirkungsgrad der thermoelektrischen Wandlereinrichtung ableiten. Einerseits lassen sich die Eigenschaften der thermoelektrischen Wandlereinrichtung durch die materialmäßige Auswahl geeigneter Paarungen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente beeinflussen. Andererseits lassen sich die Eigenschaften der thermoelektrischen Wandlereinrichtung über die Anzahl jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, d. h. insbesondere über die Anzahl jeweiliger Paarungen erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, beeinflussen. Aus vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit den möglichen geometrischen Ausgestaltungen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente lässt sich verstehen, dass sich über die geometrische Gestalt, d. h. insbesondere Länge, Breite und Höhe, jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente ebenso Einfluss auf die Eigenschaften der thermoelektrischen Wandlereinrichtung nehmen lässt. Schließlich lässt sich auch über die Kontaktfläche, d. h. z. B. eine Überlappungsfläche, zwischen der Wärmeerzeugungseinrichtung und jeweiligen Heißseiten jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente Einfluss auf die Eigenschaften der thermoelektrischen Wandlereinrichtung nehmen.
Um die elektrische Stabilität der Vorrichtung sicherzustellen, d. h. insbesondere, um elektrische Kurzschlüsse innerhalb der Vorrichtung zu verhindern, ist es zweckmäßig, wenn zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, insbesondere zwischen jeweiligen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereichen jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, und der Wärmeerzeugungseinrichtung wenigstens ein elektrisches Isolationsmittel angeordnet ist. Das elektrische Isolationsmittel ist insofern zweckmäßig, als die Wärmeerzeugungseinrichtung selbst elektrisch leitfähig sein kann, so dass es ohne eine elektrische Isolation zu der Ausbildung elektrischer Kurzschlüsse zwischen der Wärmeerzeugungseinrichtung und der thermoelektrischen Wandlereinrichtung kommen könnte. Das elektrische Isolationsmittel kann prinzipiell aus jedem geeigneten, d. h. elektrisch isolierenden Material, gebildet sein. Wesentlich ist, dass das elektrische Isolationsmittel thermisch hoch beständig ist, so dass es durch die von der Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugbare Wärmemenge und die mit der erzeugten Wärmemenge verbundene hohe Temperatur nicht beschädigt wird. Gleichermaßen sollte das elektrische Isolationsmittel thermisch gut leitfähig sein, um eine gute Wärmeübertragung von der Wärmeerzeugungseinrichtung in die thermoelektrische Wandlereinrichtung sicherzustellen. Demzufolge bieten sich z. B. thermisch gut leitfähige keramische Materialien, wie z. B. Aluminiumnitrid, zur Ausbildung des elektrischen Isolationsmittels an.
Das wenigstens eine oder wenigstens ein elektrisches Isolationsmittel kann als separates Bauelement zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, insbesondere jeweiligen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereichen jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, und der Wärmeerzeugungseinrichtung angeordnet sein. Denkbar ist auch, dass das wenigstens eine oder wenigstens ein elektrisches Isolationsmittel als zumindest abschnittsweise Beschichtung auf die thermoelektrische Wandlereinrichtung, insbesondere auf einen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung zugewandten Bereich jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, und/oder die Wärmeerzeugungseinrichtung aufgebracht ist.
Um eine thermische Isolation der Vorrichtung, insbesondere der Wärmeerzeugungseinrichtung, zu realisieren, kann die Vorrichtung wenigstens ein thermisches Isolationsmittel umfassen. Das thermische Isolationsmittel stellt sicher, dass über die über die Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugbare Wärmemenge und die mit der erzeugten Wärmemenge verbundene hohe Temperatur keine thermisch bedingten Schäden an der Vorrichtung respektive einer mit der Vorrichtung ausgestatteten Anwendung, wie z. B. einem Geschosselement, möglich sind. Das thermische Isolationsmittel kann prinzipiell aus jedem geeigneten, d. h. thermisch isolierenden Material, gebildet sein. Wesentlich ist, dass das thermische Isolationsmittel thermisch hoch beständig ist, so dass es durch die von der Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugbare Wärmemenge und die mit der erzeugten Wärmemenge verbundene hohe Temperatur selbst nicht beschädigt wird. Zur Ausbildung des thermischen Isolationsmittels bieten sich beispielsweise thermisch isolierende keramische Materialien, z. B. basierend auf Aluminiumoxid, an.
Die Vorrichtung kann ein zumindest die Wärmeerzeugungseinrichtung und die thermoelektrische Wandlereinrichtung zumindest abschnittsweise aufnehmendes Gehäuseteil umfassen. In das Gehäuseteil können selbstverständlich weitere Bestandteile der Vorrichtung, wie z. B. entsprechende Aktivierungseinrichtungen, aufgenommen sein. Das Gehäuseteil kann unmittelbar oder mittelbar mit einem Bestandteil der Vorrichtung, insbesondere der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, kontaktiert, d. h. insbesondere thermisch gekoppelt, sein. Sofern die thermoelektrische Wandlereinrichtung entsprechende erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente umfasst, kann das Gehäuseteil mit jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung abgewandten Bereichen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente thermisch gekoppelt sein. Das Gehäuseteil kann dabei als Wärmesenke dienen, welche zumindest einen Teil der von der Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugten und in die thermoelektrische Wandlereinrichtung eingebrachten Wärmemenge aufnehmen kann. Derart können thermische Beschädigungen der Vorrichtung verhindert werden. Wie weiter unten im Zusammenhang mit dem Geschosselement noch beschrieben wird, kann das vorrichtungsseitige Gehäuseteil in einem, insbesondere hülsenartigen, Geschosselementkörper aufgenommen sein. Der Geschosselementkörper umgibt das vorrichtungsseitige Gehäuseteil dabei unmittelbar oder mittelbar. Der Geschosselementkörper kann mit dem Gehäuseteil thermisch gekoppelt sein und somit ebenso als Wärmesenke dienen.
Die Erfindung betrifft ferner eine thermoelektrische Wandlereinrichtung für eine wie beschriebene Vorrichtung. Die thermoelektrische Wandlereinrichtung ist zur Wandlung einer von einer Wärmeerzeugungseinrichtung erzeugten Wärmemenge in eine für den Betrieb wenigstens einer Zündeinrichtung, insbesondere einer Zündeinrichtung eines Geschosselements, erforderliche elektrische Betriebsenergie eingerichtet. Hinsichtlich der thermoelektrischen Wandlereinrichtung gelten grundsätzlich sämtliche Ausführungen hinsichtlich der Vorrichtung analog.
Die Erfindung betrifft ferner ein Geschosselement, umfassend einen, insbesondere hülsenartigen, Geschosselementkörper, in oder an welchem eine zündbare, insbesondere explosive Ladung, wenigstens eine elektrische Zündeinrichtung zur Zündung der zündbaren Ladung und eine wie beschriebene Vorrichtung zur Bereitstellung einer für den Betrieb der elektrischen Zündeinrichtung erforderlichen elektrischen Betriebsenergie angeordnet ist. Auch hinsichtlich des Geschosselements gelten grundsätzlich sämtliche Ausführungen hinsichtlich der Vorrichtung analog.
Die Anordnung der Vorrichtung innerhalb des auch als Gehäuseteil des Geschosselements zu bezeichnenden bzw. zu erachtenden Geschosselementkörpers ist typischerweise derart, dass die thermoelektrische Wandlereinrichtung zumindest abschnittsweise mit einer Wandung des Geschosselementkörpers unmittelbar oder mittelbar, insbesondere unter Zwischenschaltung eines vorrichtungsseitigen Gehäuseteils, kontaktiert, d. h. insbesondere thermisch gekoppelt, ist.
Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zur Herstellung einer wie beschriebenen Vorrichtung. Das Verfahren ist durch die Schritte: Ausbilden wenigstens einer thermoelektrischen Wandlereinrichtung und Verbinden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung mit wenigstens einer vorher bereitgestellten und/oder wenigstens einer nachher bereitgestellten, insbesondere ausgebildeten, Wärmeerzeugungseinrichtung, gekennzeichnet.
Das Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung umfasst im Wesentlichen zwei Hauptverfahrensschritte. Selbstverständlich können die beiden Hauptverfahrensschritte mehrere Unterverfahrensschritte umfassen. In dem ersten Hauptverfahrensschritt wird die thermoelektrische Wandlereinrichtung ausgebildet. Hierfür kommen, wie im Weiteren noch erläutert wird, grundsätzlich unterschiedliche Vorgehensweisen in Betracht. In einem weiteren bzw. zweiten Schritt wird die thermoelektrische Wandlereinrichtung mit wenigstens einer vorher bereitgestellten und/oder wenigstens einer nachher bereitgestellten, insbesondere ausgebildeten, Wärmeerzeugungseinrichtung verbunden. Die Verbindung beinhaltet insbesondere eine unmittelbare oder mittelbare thermische Kopplung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung mit der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung.
Das Ausbilden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung kann gemäß einer ersten beispielhaften Vorgehensweise zur Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung vermittels eines oder mehrerer Ätz- und/oder Stanzprozesse erfolgen. Die Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, d. h. insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, vermittels entsprechender Ätz- und/oder Stanzprozesse ermöglicht eine endkonturnahe Fertigung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung. Insbesondere können entsprechende erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente – ähnlich der Herstellung von Leiterplatten – im Mehrfachnutzen in der jeweils vorzusehenden geometrischen Gestalt aus jeweiligen, z. B. in Form von Blechen bereitgestellten, Vollmaterialien ausgebildet werden.
Sofern die thermoelektrische Wandlereinrichtung entsprechende erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente umfasst, werden die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente nach deren Herstellung über entsprechende Stanz- und/oder Ätzprozesse vermittels thermischer Fügeverfahren, insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, miteinander verbunden. Als mögliche Fügeverfahren kommen insbesondere Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißen oder Widerstandsschweißen, oder Bondverfahren, insbesondere Thermokompressionsbondverfahren, in Frage.
Zwischen jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen können im Rahmen entsprechender Stanz- und/oder Ätzprozesse Hilfs- bzw. Sicherungsstege zur Sicherung der Positionierung der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente relativ zueinander gebildet werden. Entsprechende Sicherungsstege werden typischerweise zu einem späteren Zeitpunkt, d. h. insbesondere nach dem Fügen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, z. B. durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, entfernt und sind demnach an der fertigen Vorrichtung typischerweise nicht mehr vorhanden.
Nach dem Fügen bzw. Verbinden entsprechender erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente können diese zumindest abschnittsweise von wenigstens einem elektrischen Isolationsmittel umgeben werden. Das elektrische Isolationsmittel kann, wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung erwähnt, in Form eines separaten elektrisch isolierenden Bauelements oder einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf die ersten und/oder zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente aufgebracht werden. Das verwendete elektrische Isolationsmittel kann prinzipiell aus jedem geeigneten, d. h. elektrisch isolierenden Material, gebildet sein. Wesentlich ist, dass das elektrische Isolationsmittel thermisch hoch beständig ist. Gleichermaßen sollte das elektrische Isolationsmittel thermisch gut leitfähig sein, um eine gute Wärmeübertragung von der Wärmeerzeugungseinrichtung in die thermoelektrische Wandlereinrichtung sicherzustellen. Demzufolge bieten sich z. B. thermisch gut leitfähige keramische Materialien, wie z. B. Aluminiumnitrid, zur Ausbildung des elektrischen Isolationsmittels an.
Zumindest ein Teil jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente kann unter Ausbildung einer Zentrierungshilfe für die wenigstens eine oder wenigstens eine mit der thermoelektrischen Wandlereinrichtung zu verbindende Wärmeerzeugungseinrichtung zumindest abschnittsweise umgebogen werden. Derart lassen sich Zentriervorgänge von relativ zu der thermoelektrischen Wandlereinrichtung zu positionierenden Bestandteilen der Vorrichtung, d. h. insbesondere Zentriervorgänge der oder wenigstens einer Wärmeerzeugungseinrichtung, vereinfachen.
Alternativ zu dem Ausbilden der thermoelektrischen Wandlereinrichtung vermittels Ätz- und/oder Stanzprozessen ist es gemäß einer weiteren beispielhaften Vorgehensweise zur Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung auch denkbar, dass das Ausbilden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung, insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, vermittels eines oder mehrerer Abscheidungsprozesse erfolgt. Das Ausbilden der thermoelektrischen Wandlereinrichtung, d. h. insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente, vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse kann ebenso eine endkonturnahe Fertigung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung ermöglichen. Entsprechende erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente können auch hier im Mehrfachnutzen aus jeweiligen Abscheidungsmaterialien ausgebildet werden. Die jeweils vorzusehende geometrische Gestalt jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente kann z. B. durch den Einsatz von Masken und/oder durch auf die Abscheidung folgende Ätzprozesse realisiert werden. Die Vereinzelung jeweiliger thermoelektrischer Wandlerelemente erfolgt typischerweise erst nach der Ausbildung der Wärmeerzeugungseinrichtung.
Die Abscheidung der die thermoelektrische Wandlereinrichtung, d. h. insbesondere jeweilige erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente, bildenden Abscheidungsmaterialien erfolgt typischerweise auf einem geeigneten Träger. Ein solcher Träger ist zweckmäßig aus einem thermisch stabilen, gleichwohl thermisch schlecht leitfähigen, typischerweise keramischen, Material gebildet. Konkret kann der Träger beispielsweise aus Zirkoniumoxid gebildet sein.
Typischerweise wird zunächst ein erstes Abscheidungsmaterial bzw. ein erstes Abscheidungsmaterialgemisch zur Ausbildung jeweiliger erster thermoelektrischer Wandlerelemente auf dem Träger abgeschieden. Sofern noch nicht im Rahmen der Abscheidung erfolgt, erfolgt nachfolgend die Ausbildung der jeweiligen geometrischen Gestalt der ersten thermoelektrischen Wandlerelemente, z. B. durch Ätzen. Im Weiteren erfolgt die Abscheidung eines zweiten Abscheidungsmaterials bzw. eines zweiten Abscheidungsmaterialgemischs zur Ausbildung jeweiliger zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente auf den ersten thermoelektrischen Wandlerelementen. Sofern auch hier noch nicht im Rahmen der Abscheidung erfolgt, erfolgt auch hier nachfolgend die Ausbildung der jeweiligen geometrischen Gestalt der zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente, z. B. durch Ätzen.
Grundsätzlich kommen sämtliche geeigneten physikalischen und/oder chemischen Abscheidungsprozesse in Frage. Lediglich beispielhaft wird auf Aufdampfprozesse, galvanische Abscheidungsprozesse und Druckprozesse verwiesen. Besonders praktikabel ist der Einsatz so genannter Spritzprozesse, insbesondere Kaltgasspritzprozesse, da sich mit diesen vergleichsweise hohe Schichtdicken, insbesondere Schichtdicken in einem Bereich zwischen 50 und 500 μm, allgemein Schichtdicken oberhalb 50 μm, ausbilden lassen. Die Auswahl eines geeigneten Abscheidungsprozesses erfolgt grundsätzlich insbesondere im Hinblick auf die angestrebten strukturellen Eigenschaften der abzuscheidenden thermoelektrischen Wandlereinrichtung sowie im Hinblick auf die Abscheidungseigenschaften der jeweiligen Abscheidungsmaterialien.
Nicht allein die thermoelektrische Wandlereinrichtung kann vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse ausgebildet werden. Es ist auch möglich, die Wärmeerzeugungseinrichtung vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse auszubilden. Die Wärmeerzeugungseinrichtung kann z. B. vor der Abscheidung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung abgeschieden oder nach der Abscheidung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung auf die thermoelektrische Wandlereinrichtung abgeschieden werden. Insbesondere Wärmeerzeugungseinrichtungen in Form entsprechender Mehrlagenelemente lassen sich ohne weiteres vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse ausbilden.
Um eine zumindest abschnittsweise elektrische Isolation zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung und der Wärmeerzeugungseinrichtung zu realisieren, kann nach der Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung auf dieser zunächst zumindest abschnittsweise wenigstens ein elektrisches Isolationsmaterial zur Ausbildung wenigstens eines elektrischen Isolationsmittels abgeschieden werden. Hinsichtlich des Materials des elektrischen Isolationsmittels gelten obige Ausführungen analog.
Schließlich ist es in allen Varianten der Ausbildung der Vorrichtung möglich, dass die wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung zumindest abschnittsweise von wenigstens einem thermischen Isolationsmittel umgeben wird. Das thermische Isolationsmittel kann demnach gegebenenfalls auch abgeschieden werden. Hinsichtlich des Materials des thermischen Isolationsmittels gelten obige Ausführungen analog.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1, 2 je eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel; und
2 bis 6 je eine perspektivische Darstellung einer thermoelektrischen Wandlereinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Vorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung 1 dient der Bereitstellung bzw. Erzeugung einer für die Inbetriebnahme bzw. den Betrieb einer in ein in 1 nur angedeutetes Geschosselement 2, wie z. B. ein Munitionselement, integrierten elektrischen Zündeinrichtung 3 zur Zündung einer geschosselementseitigen zündbaren, insbesondere explosiven, Ladung 4 erforderlichen elektrischen Betriebsenergie.
Die Vorrichtung 1 umfasst als wesentliche Bestandteile eine auch als Heizsatz zu bezeichnende bzw. zu erachtende Wärmeerzeugungseinrichtung 5, welche bei Aktivierung zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge eingerichtet ist, und eine mit der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 thermisch gekoppelte thermoelektrische Wandlereinrichtung 6, welche zur Wandlung der oder allgemein einer von der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 erzeugten Wärmemenge in eine für den Betrieb der Zündeinrichtung 3 erforderliche elektrische Betriebsenergie eingerichtet ist. Entsprechend ist die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 der Zündeinrichtung 3 zugeordnet. Es besteht also eine Wirkverbindung zwischen der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 und der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 sowie zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 und der elektrischen Zündeinrichtung 3.
Zur Erzeugung einer Wärmemenge ist die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zu aktivieren. Es muss also eine bestimmte Aktivierungsenergie aufgebracht werden, um vermittels der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 eine bestimmte Wärmemenge zu erzeugen. Die Art der Aktivierungsenergie bestimmt sich nach der strukturellen Ausbildung der Wärmeerzeugungseinrichtung 5. Die Aktivierungsenergie wird über eine der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zugeordnete Aktivierungseinrichtung 7 erzeugt.
Die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 kann strukturell derart ausgebildet sein, dass sie sich mechanisch, d. h. vermittels einer bestimmten mechanischen Aktivierungsenergie, aktivieren lässt. Hierfür ist entsprechend eine mechanische Aktivierungseinrichtung 7 vorzusehen. Eine mechanisch aktivierbare Wärmeerzeugungseinrichtung 5 kann beispielsweise durch ein Mehrlagenelement 8 in Form einer reaktiven Nanofolie gebildet sein. Das Mehrlagenelement 8 ist aus mehreren in abwechselnder Reihenfolge stapelartig, insbesondere übereinander, angeordneten mikro- oder nanoskaligen Lagen (nicht gezeigt) wenigstens zweier chemisch bzw. strukturell unterschiedlicher Metalle, z. B. Aluminium und Nickel, gebildet. Das Mehrlagenelement 8 ist derart ausgebildet bzw. eingerichtet, dass bei mechanischer Aktivierung, d. h. bei Einbringen einer bestimmten mechanischen Aktivierungsenergie, typischerweise einer Kraft, in Form der Ausbildung einer intermetallischen Phase wenigstens ein exothermer Vorgang und somit die Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge erfolgt.
Eine geeignete mechanische Aktivierungseinrichtung 7 zur Bereitstellung einer mechanischen Aktivierungsenergie kann ein auf das Mehrlagenelement 8 beschleunigbarer, in 2 gezeigter Schlagbolzen 9 sein. Über einen Beschleunigungsvorgang des Schlagbolzens 9, d. h. die in diesem Zusammenhang erzeugbare bzw. erzeugte mechanische, insbesondere kinetische, Energie wird die für die mechanische Aktivierung des Mehrlagenelements 8 erforderliche mechanische Aktivierungsenergie bereitgestellt, d. h. das Mehrlagenelement 8 mechanisch aktiviert.
Die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 kann strukturell auch derart ausgebildet sein, dass sie sich thermisch, d. h. vermittels einer bestimmten thermischen Aktivierungsenergie, aktivieren lässt. Hierfür ist entsprechend eine thermische Aktivierungseinrichtung 7 vorzusehen. Eine thermisch aktivierbare Wärmeerzeugungseinrichtung 5 kann beispielsweise durch ein pyrotechnisches Element 10, enthaltend wenigstens ein zündbares Zündmaterial, insbesondere in Form einer Chlorat- oder Perchloratverbindung, gebildet sein. Das pyrotechnische Element 10 ist derart ausgebildet bzw. eingerichtet, dass bei thermischer Aktivierung, d. h. bei Einbringen einer bestimmten thermischen Aktivierungsenergie wenigstens ein exothermer Vorgang des Zündmaterials zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge erfolgt.
Eine geeignete thermische Aktivierungseinrichtung 7 zur Bereitstellung einer thermischen Aktivierungsenergie kann ein dem pyrotechnischen Element 10 zugeordnetes Zündelement (nicht gezeigt) sein. Das Zündelement führt bei Einbringen einer bestimmten mechanischen Energie einen Zündvorgang durch. Über einen Zündvorgang des Zündelements wird die für die Aktivierung des pyrotechnischen Elements 10 erforderliche thermische Aktivierungsenergie bereitgestellt, d. h. das pyrotechnische Element 10 thermisch aktiviert bzw. gezündet. Die Einbringung einer entsprechenden mechanischen Energie in das Zündelement zur Zündung desselbigen kann über einen auf das Zündelement beschleunigbaren Schlagbolzen als Teil einer mechanischen Aktivierungseinrichtung realisiert sein. Das Zündelement kann insofern als so genanntes Zündhütchen bezeichnet bzw. erachtet werden.
Das pyrotechnische Element 10 kann zusätzlich, d. h. neben dem Zündmaterial, wenigstens ein thermisch leitfähiges Leitmaterial, insbesondere Eisen und/oder eine Eisenverbindung, enthalten. Das Leitmaterial ermöglicht die Speicherung und, gegebenenfalls gezielte, Verteilung der bei einer thermischen Aktivierung des Zündmaterials erzeugten Wärme innerhalb des pyrotechnischen Elements 10. Das Leitmaterial kann in Form einer chemischen Verbindung mit dem Zündmaterial vorliegen. Es ist z. B. möglich, dass das Zündmaterial nebst Leitmaterial in Form der chemischen Verbindung Eisenkaliumperchlorat (FeKClO₄) vorliegt. Es ist aber auch möglich, dass das Zündmaterial (z. B. Kaliumperchlorat (KClO₄)) nebst Leitmaterial (z. B. Eisen (Fe)) als Gemenge vorliegt.
In der in 2 gezeigten Prinzipdarstellung ist eine aus den beiden vorstehend genannten Wärmeerzeugungseinrichtungen 5 kombinierte Wärmeerzeugungseinrichtung 5 gezeigt. Die in 2 gezeigte Wärmeerzeugungseinrichtung 5 umfasst sonach sowohl ein Mehrlagenelement 8 als auch ein pyrotechnisches Element 10.
Ersichtlich ist das hier mit einer zentralen Ausnehmung versehene pyrotechnische Element 10 auf dem hier flächig ausgebildeten Mehrlagenelement 8 angeordnet. Ein einen Teil einer mechanischen Aktivierungseinrichtung 7 bildender Schlagbolzen 9 ist zentrisch oberhalb der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 über Haltestege 11 an bzw. in einem der mechanischen Aktivierungseinrichtung 7 zugehörigen Halteelement 12 gehaltert. Der Schlagbolzen 9 lässt sich bei Aufbringung einer hinreichend hohen, durch den Pfeil F dargestellten Kraft, wie sie z. B. bei Abschluss des Geschosselements 2 auftritt, axial auf das Mehrlagenelement 8 beschleunigen, wobei es bedingt durch den lokalen Krafteintrag zu der beschriebenen Ausbildung intermetallischer Phasen und der damit einhergehenden mechanischen Aktivierung des Mehrlagenelements 8 unter Erzeugung von Wärme kommt.
Es besteht eine thermische Kopplung zwischen dem Mehrlagenelement 8 und dem auf diesem angeordneten pyrotechnischen Element 10; das Mehrlagenelement 8 ist also thermisch mit dem pyrotechnischen Element 10 gekoppelt. Entsprechend bildet die bei mechanischer Aktivierung über das Mehrlagenelement 8 erzeugbare bzw. erzeugte Wärmemenge die thermische Aktivierungsenergie für das pyrotechnische Element 10. Mithin lässt sich die über eine mechanische Aktivierung des Mehrlagenelements 8 erzeugbare Wärmemenge als thermische Aktivierungsenergie für das mit diesem thermisch gekoppelte pyrotechnische Element 10 nutzen. Das Mehrlagenelement 8 dient sonach als thermische Aktivierungseinrichtung für das pyrotechnische Element 10.
Anhand von 2 lässt sich ferner ein möglicher Gesamtaufbau der Vorrichtung 1 näher erläutern. Der Gesamtaufbau der Vorrichtung 1 umfasst eine bestimmte Anordnung eines Trägers 13, des Mehrlagenelements 8, des pyrotechnischen Elements 10, eines elektrischen Isolationsmittels 14, der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 sowie eines thermischen Isolationsmittels 15. Wie erwähnt, bildet die Kombination von Mehrlagenelement 8 und pyrotechnischem Element 10 hier die Wärmeerzeugungseinrichtung 5. Der beschriebene Gesamtaufbau der Vorrichtung 1 wird nachfolgend näher beschrieben:
Das Mehrlagenelement 8 ist aus fertigungstechnischen Gründen auf einem Träger 13 angeordnet. Der Träger 13 ist aus einem thermisch stabilen, gleichwohl thermisch schlecht leitfähigen keramischen Material, wie z. B. Zirkoniumoxid, gebildet. Das pyrotechnische Element 10 ist, wie erwähnt, auf dem Mehrlagenelement 8, d. h. auf der dem Träger 13 abgewandten Seite des Mehrlagenelements 8, angeordnet. Auf dem pyrotechnischen Element 10, d. h. auf der dem Mehrlagenelement 8 abgewandten Seite des pyrotechnischen Elements 10, ist ein elektrisches Isolationsmittel 14 angeordnet bzw. aufgebracht. Das elektrische Isolationsmittel 14, bei welchem es sich z. B. um eine zumindest abschnittsweise Schicht auf dem pyrotechnischen Element 10 bzw. um eine zumindest abschnittsweise Beschichtung des pyrotechnischen Elements 10 handeln kann, dient der elektrischen Isolation der Wärmeerzeugungseinrichtung 5, d. h. insbesondere des pyrotechnischen Elements 10, welches insbesondere nach Aktivierung bzw. Zündung elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweisen kann, von der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6. Die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6, deren näherer Aufbau im Zusammenhang mit den 3, 4 beschrieben wird, ist auf der dem pyrotechnischen Element 10 abgewandten Seite des elektrischen Isolationsmittels 14 angeordnet.
Ersichtlich ist die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 respektive die diese bildenden, vorstehend beschriebenen Komponenten, d. h. das Mehrlagenelement 8 und das pyrotechnische Element 10, sowie die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 respektive die diese bildenden, im Weiteren näher beschriebenen Komponenten von dem thermischen Isolationsmittel 15 umgeben. Das thermische Isolationsmittel 15 verhindert durch die über die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 erzeugbare Wärmemenge bedingte thermische Schäden an der Vorrichtung 1 sowie an dem Geschosselement 2. Das thermische Isolationsmittel 15 umfasst hier mehrere jeweils aus einem thermisch isolierenden sowie thermisch hoch beständigen keramischen Material, wie z. B. Aluminiumoxid (vorzugsweise in Faserform), gebildete Isolationsmittelsegmente und ist hier entsprechend mehrteilig ausgeführt. Selbstverständlich könnte das thermische Isolationsmittel 15 auch einteilig ausgeführt sein.
Anhand von 2 ist ersichtlich, dass die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 mehrere übereinander angeordnete thermoelektrische Wandlerelemente 16, 17 umfasst. Die thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 lassen sich in erste thermoelektrische Wandlerelemente 16 und zweite thermoelektrische Wandlerelemente 17 aufteilen. Die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente 16 sind hier auf dem elektrischen Isolationsmittel 14 und somit unterhalb der zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 17 angeordnet. Selbstverständlich wäre eine umgekehrte Anordnung ebenso möglich.
Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 ragen mit ihren bezüglich der in 2 gezeigten Zentralachse der Vorrichtung 1 radial außen liegenden freien Enden in ein vorrichtungsseitiges Gehäuseteil 18. Es besteht derart eine thermische Kopplung zwischen den thermoelektrischen Wandlerelementen 16, 17 und dem Gehäuseteil 18. Das Gehäuseteil 18 dient als Wärmesenke, welche zumindest einen Teil der von der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 erzeugten und in die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 eingebrachten Wärmemenge aufnehmen kann.
Ersichtlich ist zwischen dem vorrichtungsseitigen Gehäuseteil 18 und den jeweiligen radial äußeren freien Enden der thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 ebenso ein elektrisches Isolationsmittel 14 vorhanden, welches eine elektrische Isolation zwischen den thermoelektrischen Wandlerelementen 16, 17 und dem vorrichtungsseitigen Gehäuseteil 18 sicherstellt.
Das Gehäuseteil 18 ist in einen hülsenartigen Geschosselementkörper 19 integriert. Der hülsenartige Geschosselementkörper 19 ist mit dem Gehäuseteil 18 thermisch gekoppelt sein und somit ebenso als Wärmesenke dienen.
Die genaue geometrische Gestalt und Anordnung der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 ergibt sich aus den 3, 4. 3 zeigt eine explosionsartige perspektivische Ansicht der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, 4 zeigt eine perspektivische Ansicht des Aufbaus der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 gemäß 3. In 4 ist zur besseren Verständlichkeit des im Weiteren erläuterten Funktionsprinzips der Vorrichtung 1 lediglich schematisch ebenso die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 dargestellt.
Anhand der 3, 4 ist nochmals deutlich ersichtlich, dass jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente 16 und jeweilige zweite thermoelektrische Wandlerelemente 17 hier jeweils in einer Ebene angeordnet sind. Die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 umfasst sonach einen Aufbau mit mehreren durch die jeweiligen thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 gebildeten Ebenen.
Selbstverständlich könnten prinzipiell mehr als zwei Ebenen entsprechender erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 vorhanden sein.
Der Aufbau der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 ist insgesamt betrachtet eben bzw. flach („zweidimensional”) und bildet hier eine ringscheibenförmige Grundform. Selbstverständlich sind andere, insbesondere nicht rotationssymmetrische, Grundformen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 prinzipiell denkbar.
In den 3, 4 gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei den ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen 16, 17 jeweils um Bauelemente gleicher geometrischer Gestalt, d. h. gleicher Abmessungen und gleicher Form. Lediglich jeweilige einen elektrischen Anschluss der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 an die über diese elektrisch zu versorgende Zündeinrichtung 3 bildende thermoelektrische Wandlerelemente 20, 21 weichen von der geometrischen Gestalt der übrigen thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 ab.
Abgesehen von diesen thermoelektrischen Wandlerelementen 20, 21 sind die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 jeweils als längliche Bauelemente mit einer Z-artigen geometrischen Gestalt ausgebildet. Die Z-artige geometrische Gestalt der thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 ergibt sich durch jeweilige von einem jeweiligen länglichen Zentralabschnitt 16a, 16b winklig, insbesondere lotrecht, bzw. in Umfangsrichtung abragende Seitenfortsätze 16b, 17b. Die jeweiligen Seitenfortsätze 16b, 17b ragen umfangsmäßig betrachtet in unterschiedlichen Richtungen von den jeweiligen Zentralabschnitten 16a, 16b ab.
Ersichtlich weisen die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 jeweils veränderliche Querschnitte auf. Die Flächen- oder Volumenabschnitte jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zugewandter Bereiche, insbesondere Endbereiche, und somit die Querschnitte im Bereich jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zugewandter Flächen- oder Volumenabschnitte sind erheblich kleiner als die Flächen- oder Volumenabschnitte jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 abgewandter Bereiche, insbesondere Endbereiche, und somit die Querschnitte im Bereich jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 abgewandter Flächen- oder Volumenabschnitte. Mithin erweitert sich der Querschnitt jeweiliger thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 ausgehend von jeweiligen der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zugewandten, radial betrachtet inneren Bereichen in Richtung jeweiliger der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 abgewandter, radial betrachtet äußerer Bereiche.
Jeweilige der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zugewandte Bereiche der thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 können als Heißseiten, jeweilige der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 abgewandte Bereiche der thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 können als Kaltseiten bezeichnet bzw. erachtet werden. Entsprechend der in 4 schematisch gezeigten Anordnung mit einer Wärmeerzeugungseinrichtung 5 lässt sich über die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 nur über jeweilige Heißseiten Wärme in die thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 einkoppeln.
Die thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 sind derart angeordnet, dass jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente 16 mit jeweils (axial bzw. vertikal betrachtet) benachbart angeordneten zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen 17 elektrisch in einer Reihenschaltung und thermisch in einer Parallelschaltung gekoppelt bzw. verbunden sind. Jeweilige elektrische bzw. thermische Kontaktbereiche jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 sind insbesondere im Bereich jeweiliger Seitenfortsätze 16b, 17b gebildet.
Die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente 16 unterscheiden sich von den zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen 17 in ihren thermoelektrischen Eigenschaften, insbesondere in ihren Seebeck-Koeffizienten (bezüglich eines Referenzmaterials). Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 sind entsprechend aus unterschiedlichen Elementen der thermoelektrischen Spannungsreihe gebildet. Ein jeweiliges erstes thermoelektrisches Wandlerelement 16 und ein jeweiliges, dem ersten thermoelektrischen Wandlerelement 16 unmittelbar benachbart angeordnetes zweites thermoelektrisches Wandlerelement 17 bilden ein thermoelektrisches Paar.
Die materialmäßige Ausbildung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 erfolgt dahin, dass sich durch die mit diesen ausbildbaren bzw. ausgebildeten thermoelektrischen Paare ein (betragsmäßig) möglichst hoher Seebeck-Koeffizient realisieren lässt. In Abhängigkeit des Vorzeichens der jeweiligen Seebeck-Koeffizienten der thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 relativ zu einem Referenzmaterial, wie z. B. Platin, können diese als p-Wandlerelemente (für positive Seebeck-Koeffizienten) und n-Wandlerelemente (für negative Seebeck-Koeffizienten) bezeichnet bzw. erachtet werden. Dabei kann es sich bei jeweiligen ersten thermoelektrischen Wandlerelementen 16 um p-Wandlerelemente und bei jeweiligen zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen 17 um n-Wandlerelemente handeln, oder umgekehrt.
Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 sind jeweils aus einem metallischen Werkstoff, d. h. einem Metall oder einer Metalllegierung, gebildet. Die Ausbildung jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 aus einem metallischen Werkstoff bedingt eine hohe mechanische wie auch thermische Stabilität der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6. Konkret sind jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente 16 hier aus einer Nickel-Chrom-Legierung (anteilsmäßig 90% Nickel, 10% Chrom) und jeweilige zweite thermoelektrische Wandlerelemente 17 hier aus einer Kupfer-Nickel-Legierung (anteilsmäßig 55% Kupfer, 45% Chrom) gebildet. Eine Kombination derartiger thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 resultiert in einem Seebeck-Koeffizienten von ca. 60 μV/K pro Paarung eines ersten und eines zweiten thermoelektrischen Wandlerelements 16, 17.
Das Funktionsprinzip der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 beruht auf dem Seebeck-Effekt, gemäß welchem sich zwischen zwei unterschiedlichen thermisch bzw. elektrisch in bestimmten Kontaktbereichen kontaktierten elektrischen Leiterelementen, d. h. vorliegend jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen 16, 17, bei einer Temperaturdifferenz bzw. einem Temperaturgradienten zwischen den Kontaktbereichen eine elektrische Spannung einstellt.
Die Ausbildung und zumindest zeitweise Erhaltung des erforderlichen Temperaturgradienten zwischen entsprechenden Kontaktbereichen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 erfolgt durch die besondere Anordnung und geometrische Ausbildung der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17. Durch die beschriebene flächen- bzw. volumenmäßig unterschiedliche Ausbildung der Heiß- und Kaltseiten jeweiliger thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 lässt sich ein zufriedenstellender Kompromiss zwischen den über das Wiedemann-Franzsche Gesetz korrelierten physikalischen Größen, d. h. der elektrischen Leitfähigkeit und der thermischen Leitfähigkeit metallischer Werkstoffe, herstellen.
Für einen hohen Wirkungsgrad der Vorrichtung 1 respektive der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 ist eine hohe Temperaturdifferenz zwischen jeweiligen wandlerelementseitigen Heißseiten und jeweiligen wandlerelementseitigen Kaltseiten erforderlich. Für die Ausbildung und Aufrechterhaltung einer hohen Temperaturdifferenz wäre eine möglichst geringe thermische Leitfähigkeit der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 erstrebenswert. Gleichermaßen wäre im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 ein möglichst kleiner elektrischer Widerstand, d. h. eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit, der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 erstrebenswert.
Diesem in Anbetracht des Wiedemann-Franzschen Gesetzes gegebenen vermeintlichen Konflikt wird durch die beschriebene besondere geometrische Gestalt der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 Rechnung getragen: Die im Vergleich zu den Kaltseiten flächen- bzw. volumenmäßig erheblich kleineren Heißseiten der thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 weisen eine im Vergleich zu den Kaltseiten geringere Wärmekapazität auf, so dass die über die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 in die Heißseiten eingebrachte Wärmemenge geometriebedingt, d. h. aufgrund der im Vergleich erheblich kleineren Flächen bzw. Volumina, insbesondere Querschnitte, möglichst schlecht an die Kaltseiten abgegeben wird. Derart lässt sich eine vergleichsweise hohe Temperatur der Heißseiten und eine daraus resultierende vergleichsweise hohe Temperaturdifferenz zwischen jeweiligen Heiß- und Kaltseiten ausbilden und vergleichsweise lange aufrechterhalten. Die geometriebedingt vergleichsweise schlechte elektrische Leitfähigkeit der wandlerelementseitigen Heißseiten wird über die beschriebene Erweiterung bzw. Vergrößerung des Querschnitts ausgehend von jeweiligen wandlerelementseitigen Heißseiten in Richtung jeweiliger wandlerelementseitiger Kaltseiten kompensiert.
Die sich aufgrund des Seebeck-Effekts bei Einkopplung von Wärme in die Heißseiten jeweiliger thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 einstellende elektrische Spannung kann über die elektrische Anschlüsse der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 bildenden thermoelektrischen Wandlerelemente 20, 21 abgegriffen und die Zündeinrichtung 3 derart elektrisch versorgt werden.
Die 5, 6 zeigen weitere Ausführungsbeispiele jeweiliger thermoelektrischer Wandlereinrichtungen 6. Der wesentliche Unterschied der in den 5, 6 gezeigten Ausführungsbeispiele zu dem in den 3, 4 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht darin, dass die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 hier nicht in mehreren Ebenen übereinander, sondern gemeinsam in einer (einzigen) Ebene angeordnet sind. Derart lässt sich ein noch flacherer Aufbau der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 realisieren. Selbstverständlich könnten auch hier prinzipiell mehrere entsprechende Ebenen mit einer entsprechenden Anordnung erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17, vorhanden sein.
Ersichtlich sind die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel nicht gleicher geometrischer Gestalt. Die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente 16 weisen jeweils eine im Zusammenhang mit dem in den 3, 4 gezeigten Ausführungsbeispiel beschriebene Z-artige geometrische Gestalt mit einem länglichen Zentralabschnitt 16a und von diesem winklig bzw. in Umfangsrichtung abragenden Seitenfortsätzen 16b auf. Die zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 17 weisen lediglich einen länglichen Zentralabschnitt 17a, d. h. eine längliche Gestalt, ohne entsprechende Seitenfortsätze auf.
Die zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 17 sind im Wesentlichen parallel zu entsprechenden länglichen Zentralabschnitten 16a jeweiliger erster thermoelektrischer Wandlerelemente 16, zwischen inneren und äußeren Seitenfortsätzen 16b jeweils benachbart angeordneter erster thermoelektrischer Wandlerelemente 16 angeordnet. Die freien Enden jeweils benachbart angeordneter erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 sind insbesondere in radialer Richtung kontaktiert. Es ergibt sich wiederum eine elektrische Reihenschaltung und eine thermische Parallelschaltung entsprechender benachbarter erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17. Das beschriebene Funktionsprinzip der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 ist somit unverändert.
In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 gleicher geometrischer Gestalt. Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 weisen wiederum jeweils eine Z-artige geometrische Gestalt auf. Die freien Enden jeweils benachbart angeordneter erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 sind insbesondere in Umfangsrichtung kontaktiert. Es ergibt sich wiederum eine elektrische Reihenschaltung und eine thermische Parallelschaltung entsprechender benachbarter erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17. Das beschriebene Funktionsprinzip der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 ist somit auch hier unverändert.
Die im Zusammenhang mit den in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispielen beschriebenen Vorrichtungen 1 lassen sich jeweils über ein Verfahren mit den Schritten: Ausbilden wenigstens einer thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 und Verbinden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 mit wenigstens einer vorher bereitgestellten und/oder wenigstens einer nachher bereitgestellten, insbesondere ausgebildeten, Wärmeerzeugungseinrichtung 5 herstellen.
Das Ausbilden der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 kann gemäß einer ersten beispielhaften Vorgehensweise vermittels eines oder mehrerer Ätz- und/oder Stanzprozesse erfolgen. Die Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6, d. h. insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17, vermittels entsprechender Ätz- und/oder Stanzprozesse ermöglicht eine endkonturnahe Fertigung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6. Insbesondere können entsprechende erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente 16, 17 – ähnlich der Herstellung von Leiterplatten – im Mehrfachnutzen in der jeweils vorzusehenden geometrischen Gestalt aus jeweiligen, z. B. in Form von Blechen bereitgestellten, Vollmaterialien ausgebildet werden.
Die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 werden nach deren Herstellung über entsprechende Stanz- und/oder Ätzprozesse vermittels thermischer Fügeverfahren, insbesondere form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig, miteinander verbunden. Als mögliche Fügeverfahren kommen insbesondere Schweißverfahren, beispielsweise Laserschweißen oder Widerstandsschweißen, oder Bondverfahren, insbesondere Thermokompressionsbondverfahren, in Frage.
Zwischen jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen 16, 17 können im Rahmen entsprechender Stanz- und/oder Ätzprozesse Hilfs- bzw. Sicherungsstege zur Sicherung der Positionierung der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 relativ zueinander gebildet werden. Entsprechende Sicherungsstege werden typischerweise zu einem späteren Zeitpunkt, d. h. insbesondere nach dem Fügen jeweiliger erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17, z. B. durch Stanzen oder Schneiden, insbesondere Laserschneiden, entfernt und sind demnach an der fertigen Vorrichtung 1 typischerweise nicht mehr vorhanden.
Nach dem Fügen bzw. Verbinden entsprechender erster und zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 können diese zumindest abschnittsweise von wenigstens einem elektrischen Isolationsmittel 14 umgeben werden. Das elektrische Isolationsmittel 14 kann in Form eines separaten elektrisch isolierenden Bauelements oder einer elektrisch isolierenden Beschichtung auf die ersten und/oder zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, 17 aufgebracht werden. Das verwendete elektrische Isolationsmittel 14 kann prinzipiell aus jedem geeigneten, d. h. elektrisch isolierenden Material, gebildet sein. Wesentlich ist, dass das elektrische Isolationsmittel 14 thermisch hoch beständig ist. Gleichermaßen sollte das elektrische Isolationsmittel 14 thermisch gut leitfähig sein, um eine gute Wärmeübertragung von der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 in die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 sicherzustellen. Es bieten sich z. B. thermisch gut leitfähige keramische Materialien, wie z. B. Aluminiumnitrid, zur Ausbildung des elektrischen Isolationsmittels 14 an.
Zumindest ein Teil jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 kann unter Ausbildung einer Zentrierungshilfe für die mit der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 zu verbindende Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zumindest abschnittsweise umgebogen werden. Derart lassen sich Zentriervorgänge von relativ zu der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 zu positionierenden Bestandteilen der Vorrichtung, d. h. insbesondere Zentriervorgänge der Wärmeerzeugungseinrichtung 5, vereinfachen.
Alternativ zu dem Ausbilden der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 vermittels Ätz- und/oder Stanzprozessen ist es gemäß einer weiteren beispielhaften Vorgehensweise auch denkbar, dass das Ausbilden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6, insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17, vermittels eines oder mehrerer Abscheidungsprozesse erfolgt. Das Ausbilden der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6, d. h. insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17, vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse kann ebenso eine endkonturnahe Fertigung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 ermöglichen. Entsprechende erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente 16, 17 können auch hier im Mehrfachnutzen aus jeweiligen Abscheidungsmaterialien ausgebildet werden. Die jeweils vorzusehende geometrische Gestalt jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 kann z. B. durch den Einsatz von Masken und/oder durch auf die Abscheidungsprozesse folgende Ätzprozesse realisiert werden. Die Vereinzelung jeweiliger thermoelektrischer Wandlerelemente 16, 17 erfolgt typischerweise nach der Ausbildung der Wärmeerzeugungseinrichtung 5.
Die Abscheidung der die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6, d. h. insbesondere jeweilige erste und zweite thermoelektrische Wandlerelemente 16, 17, bildenden Abscheidungsmaterialien erfolgt typischerweise auf einem geeigneten Träger 13. Ein solcher Träger 13 ist, wie erwähnt, zweckmäßig aus einem thermisch stabilen, gleichwohl thermisch schlecht leitfähigen, typischerweise keramischen, Material gebildet. Konkret kann der Träger 13 beispielsweise aus Zirkoniumoxid gebildet sein.
Typischerweise wird zunächst ein erstes Abscheidungsmaterial bzw. ein erstes Abscheidungsmaterialgemisch zur Ausbildung jeweiliger erster thermoelektrischer Wandlerelemente 16 auf dem Träger 13 abgeschieden. Sofern noch nicht im Rahmen der Abscheidung erfolgt, erfolgt nachfolgend die Ausbildung der jeweiligen geometrischen Gestalt der ersten thermoelektrischen Wandlerelemente 16, z. B. durch Ätzen. Im Weiteren erfolgt die Abscheidung eines zweiten Abscheidungsmaterials bzw. eines zweiten Abscheidungsmaterialgemischs zur Ausbildung jeweiliger zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente 17 auf den ersten thermoelektrischen Wandlerelementen 16. Sofern auch hier noch nicht im Rahmen der Abscheidung erfolgt, erfolgt auch hier nachfolgend die Ausbildung der jeweiligen geometrischen Gestalt der zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente 17, z. B. durch Ätzen.
Grundsätzlich kommen sämtliche geeigneten physikalischen und/oder chemischen Abscheidungsprozesse in Frage. Lediglich beispielhaft wird auf Aufdampfprozesse, galvanische Abscheidungsprozesse und Druckprozesse verwiesen. Besonders praktikabel ist der Einsatz so genannter Spritzprozesse, insbesondere Kaltgasspritzprozesse, da sich mit diesen vergleichsweise hohe Schichtdicken, insbesondere Schichtdicken in einem Bereich zwischen 50 und 500 μm, allgemein Schichtdicken oberhalb 50 μm, ausbilden lassen.
Nicht allein die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 kann vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse ausgebildet werden. Es ist auch möglich, die Wärmeerzeugungseinrichtung 5 vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse auszubilden. Die oder eine Wärmeerzeugungseinrichtung 5 kann z. B. vor der Abscheidung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 abgeschieden und/oder nach der Abscheidung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 auf die thermoelektrische Wandlereinrichtung 6 abgeschieden werden. Insbesondere Wärmeerzeugungseinrichtungen 5 in Form entsprechender Mehrlagenelemente 8 lassen sich ohne weiteres vermittels entsprechender Abscheidungsprozesse ausbilden.
Um eine zumindest abschnittsweise elektrische Isolation zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 und der Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zu realisieren, kann nach der Ausbildung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung 6 auf dieser zunächst zumindest abschnittsweise wenigstens ein elektrisches Isolationsmaterial zur Ausbildung wenigstens eines elektrischen Isolationsmittels 14 abgeschieden werden.
Schließlich ist es in allen Varianten der Ausbildung der Vorrichtung 1 möglich, dass die wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung 5 zumindest abschnittsweise von wenigstens einem thermischen Isolationsmittel 15 umgeben wird. Das thermische Isolationsmittel 15 kann gegebenenfalls auch abgeschieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Geschosselement
3: Zündeinrichtung
4: Ladung
5: Wärmeerzeugungseinrichtung
6: Wandlereinrichtung
7: Aktivierungseinrichtung
8: Mehrlagenelement
9: Schlagbolzen
10: pyrotechnisches Element
11: Haltesteg
12: Halteelement
13: Träger
14: elektrisches Isolationsmittel
15: thermisches Isolationsmittel
16: thermoelektrisches Wandlerelement
16a: Zentralabschnitt
16b: Seitenfortsatz
17: thermoelektrisches Wandlerelement
17a: Zentralabschnitt
17b: Seitenfortsatz
18: Gehäuseteil
19: Geschosselementkörper
20: thermoelektrisches Wandlerelement
21: thermoelektrisches Wandlerelement

Claims

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung einer für den Betrieb wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung (2) eines Geschosselements (1), insbesondere einer elektrischen Zündeinrichtung (3) zur Zündung einer zündbaren, insbesondere explosiven, Ladung (4) des Geschosselements (1), erforderlichen elektrischen Betriebsenergie, gekennzeichnet durch: – wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung (5), welche zur Erzeugung einer bestimmten Wärmemenge eingerichtet ist, und – wenigstens eine der wenigstens einen oder wenigstens einer elektrischen Zündeinrichtung (3) zuordenbare oder zugeordnete, mit der wenigstens einen Wärmeerzeugungseinrichtung (5) thermisch koppelbare oder gekoppelte thermoelektrische Wandlereinrichtung (6), welche zur Wandlung der oder einer von der Wärmeerzeugungseinrichtung (5) erzeugten Wärmemenge in eine für den Betrieb der wenigstens einen Zündeinrichtung (3) erforderliche elektrische Betriebsenergie eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung (5) bei Einbringen einer mechanischen und/oder thermischen Aktivierungsenergie zur Erzeugung der oder einer bestimmten Wärmemenge eingerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine oder wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung (5) als ein aus mehreren in abwechselnder Reihenfolge stapelartig angeordneten Lagen wenigstens zweier strukturell unterschiedlicher Metalle gebildetes Mehrlagenelement (8) ausgebildet ist oder wenigstens ein solches umfasst, wobei das Mehrlagenelement (8) derart ausgebildet ist, dass bei Einbringen einer bestimmten mechanischen Aktivierungsenergie wenigstens ein exothermer Vorgang, insbesondere unter Ausbildung einer intermetallischen Phase, zur Erzeugung der oder einer bestimmten Wärmemenge erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mehrlagenelement (8) durch abwechselnde stapelartige Anordnung einer Lage, welche aus Aluminium gebildet ist oder Aluminium umfasst, und einer Lage, welche aus Nickel gebildet ist oder Nickel umfasst, gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine oder wenigstens eine Wärmeerzeugungseinrichtung (5) als pyrotechnisches Element (10), enthaltend wenigstens ein zündbares Zündmaterial, insbesondere in Form einer Chlorat- oder Perchloratverbindung, ausgebildet ist oder wenigstens ein solches umfasst, wobei das pyrotechnische Element (10) derart ausgebildet ist, dass bei Einbringen einer bestimmten thermischen Aktivierungsenergie wenigstens ein exothermer Vorgang des Zündmaterials zur Erzeugung der oder einer bestimmten Wärmemenge erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das pyrotechnische Element (10) zusätzlich wenigstens ein thermisch leitfähiges Leitmaterial, insbesondere Eisen und/oder eine Eisenverbindung, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch wenigstens eine dem pyrotechnischen Element (10) zuordenbare oder zugeordnete thermische Aktivierungseinrichtung in Form wenigstens eines Zündelements, welches bei Einbringen einer bestimmten mechanischen Energie einen Zündvorgang durchführt, über welchen Zündvorgang die für den wenigstens einen exothermen Vorgang des Zündmaterials erforderliche thermische Aktivierungsenergie bereitstellbar oder bereitgestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Mehrlagenelement (8) thermisch mit wenigstens einem pyrotechnischen Element (10) gekoppelt ist, wobei die über das Mehrlagenelement (8) erzeugbare oder erzeugte Wärmemenge die oder einen Teil der thermischen Aktivierungsenergie für den wenigstens einen exothermen Vorgang des wenigstens einen pyrotechnischen Elements (10) bildet.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Wandlereinrichtung (6) aus mehreren ersten und mehreren zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen (16, 17) gebildet ist oder mehrere erste und mehrere zweite thermoelektrische Wandlerelemente (16, 17) umfasst, wobei sich die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente (16) von den zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen (17) in ihren thermoelektrischen Eigenschaften, insbesondere in ihren Seebeck-Koeffizienten, unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) derart angeordnet sind, dass jeweilige erste thermoelektrische Wandlerelemente (16) mit jeweils benachbart angeordneten zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen (17) elektrisch in einer Reihenschaltung und thermisch in einer Parallelschaltung verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) unter Ausbildung einer platten- oder scheibenförmigen Gestalt der thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) in einer gemeinsamen Ebene oder in mehreren Ebenen übereinander angeordnet sind, wobei die ersten thermoelektrischen Wandlerelemente (16) unterhalb der zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (17) angeordnet sind, oder umgekehrt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen- oder Volumenabschnitte jeweiliger der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zugewandter wandlerelementseitiger Bereiche kleiner als die Flächen- oder Volumenabschnitte jeweiliger der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) abgewandter wandlerelementseitiger Bereiche sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsfläche zumindest eines Teils der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17), insbesondere ausgehend von jeweiligen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zugewandten Bereichen, vergrößert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) jeweils eine, insbesondere Z-artige, Gestalt mit winklig, insbesondere lotrecht, von einem länglichen Zentralabschnitt (16a, 17a) abragenden Seitenfortsätzen (16b, 17b) aufweisen, wobei jeweilige von einem der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zugewandten wandlerelementseitigen Bereich abragende innere Seitenfortsätze (16b, 17b) in einer anderen Richtung von dem länglichen Zentralabschnitt (16a, 17a) abragen als jeweilige von einem der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) abgewandten wandlerelementseitigen Bereich abragende äußere Seitenfortsätze (16b, 17b).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet sind oder ein Metall oder eine Metalllegierung umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6), insbesondere zwischen jeweiligen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zugewandten Bereichen jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente (16, 17), und der Wärmeerzeugungseinrichtung (5) wenigstens ein elektrisches Isolationsmittel (14) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine oder wenigstens ein elektrisches Isolationsmittel (14) als separates Bauelement zwischen der thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6), insbesondere jeweiligen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zugewandten Bereichen jeweiliger erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente (16, 17), und der Wärmeerzeugungseinrichtung (5) angeordnet ist und/oder als zumindest abschnittsweise Beschichtung auf die thermoelektrische Wandlereinrichtung (6), insbesondere auf einen der oder einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zugewandten Bereich jeweiliger erster thermoelektrischer Wandlerelemente (16, 17), und/oder die Wärmeerzeugungseinrichtung (5) aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) wenigstens ein thermisches Isolationsmittel (15) umfasst.
Thermoelektrische Wandlereinrichtung (6), welche zur Wandlung einer von einer Wärmeerzeugungseinrichtung (5) erzeugten Wärmemenge in eine für den Betrieb wenigstens einer Zündeinrichtung (3) erforderliche elektrische Betriebsenergie eingerichtet ist, für eine Vorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Geschosselement (2), umfassend einen, insbesondere hülsenartigen, Geschosselementkörper (19), in oder an welchem eine zündbare, insbesondere explosive, Ladung (4), wenigstens eine elektrische Zündeinrichtung (3) zur Zündung der zündbaren Ladung (4) und eine Vorrichtung (1) zur Bereitstellung einer für den Betrieb der elektrischen Zündeinrichtung (3) erforderlichen elektrischen Betriebsenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 19 angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, gekennzeichnet durch die Schritte: – Ausbilden wenigstens einer thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6), – Verbinden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6) mit wenigstens einer vorher bereitgestellten und/oder wenigstens einer nachher bereitgestellten, insbesondere ausgebildeten, Wärmeerzeugungseinrichtung (5).
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6), insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente (16, 17), vermittels eines oder mehrerer Ätz- und/oder Stanzprozesse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) vermittels thermischer Fügeverfahren, insbesondere stoffschlüssig, miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jeweiligen ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelementen (16, 17) Sicherungsstege zur Sicherung der Positionierung der ersten und zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) relativ zueinander gebildet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ersten und/oder zweiten thermoelektrischen Wandlerelemente (16, 17) unter Ausbildung einer Zentrierungshilfe für die wenigstens eine oder wenigstens eine mit der thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6) zu verbindende Wärmeerzeugungseinrichtung (5) zumindest abschnittsweise umgebogen werden.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausbilden der wenigstens einen thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6), insbesondere das Ausbilden entsprechender erster und/oder zweiter thermoelektrischer Wandlerelemente (16, 17), vermittels eines oder mehrerer Abscheidungsprozesse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeerzeugungseinrichtung (5) vor der Abscheidung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6) abgeschieden wird oder nach der Abscheidung der thermoelektrischen Wandlereinrichtung (6) auf die ausgebildete thermoelektrische Wandlereinrichtung (6) abgeschieden wird.