DE102006040853B3

DE102006040853B3 - Einrichtung der Thermoelektrik mit einem thermoelektrischen Generator und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Generator

Info

Publication number: DE102006040853B3
Application number: DE102006040853A
Authority: DE
Inventors: Simon Dr. Hüttinger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-02-14
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: WO2008025701A3; CN101512784A; WO2008025701A2; US20100186399A1

Abstract

Die thermoelektrische Einrichtung enthält einen thermoelektrischen Generator (212), welcher auf einer ersten Seite mit einer Wärmequelle (217) und auf einer zweiten Seite mit einer Wärmesenke (211) thermisch verbunden ist. Die thermoelektrische Einrichtung weist ferner Mittel zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator (212) auf. Diese Mittel umfassen eine mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium (218) gefüllte erste Kammer (214), die großflächig mit der Wärmequelle (217) bzw. einer mit einem verdampfbaren zweiten Arbeitsmedium (222) ausgefüllten zweiten Kammer (221) verbunden ist. Diese zweite Kammer (221) ist auf ihrer der ersten Kammer (214) abgewandten Seite mit dem thermoelektrischen Generator (212) verbunden. Die Arbeitsmedien (218, 222) weisen eine vorbestimmte Schmelztemperatur (T<SUB>L</SUB>) bzw. Siedetemperatur (T<SUB>S</SUB>) auf, um einen dauerhaften Schaden des thermoelektrischen Generators (212) zu verhindern. Die thermoelektrische Einrichtung ist insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmaschine geeignet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Einrichtung

a) mit einem thermoelektrischen Generator, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, wobei der thermoelektrische Generator auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke thermisch verbunden ist, und
b) mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator, die eine erste flache, sich gegenüberliegende Flächen aufweisende Kammer umfassen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst ist,

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Ein solcher thermoelektrischer Generator geht aus der EP 1 522 685 A1 hervor.
Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit Hilfe eines so genannten thermoelektrischen Generators möglich. Ein thermoelektrischer Generator ist ein Bauteil aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Materialien, vorzugsweise zwei verschiedenen oder verschieden dotierten Halbleitern, welches aufgrund des Seebeck-Effektes eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstellen der unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Temperaturen haben.
Der Seebeck-Effekt beschreibt die Entstehung einer elektrischen Spannung in einem elektrischen Leiter entlang eines Temperaturgradienten, bedingt durch Thermodiffusionsströme. Um den Seebeck-Effekt technisch nutzen zu können, ist es nötig, zwei verschiedene elektrische Leiter mit unterschiedlicher elektronischer Wärmekapazität miteinander in Kontakt zu bringen. Aufgrund der unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazität haben bei gleicher Temperatur die Elektronen in den beiden Leitern unterschiedliche Bewegungsenergien. Bringt man diese Leiter miteinander in Kontakt, so wird ein Diffusionsstrom höherenergetischer Elektronen in Richtung des Leiters mit den niederenergetischen Elektronen entstehen, so lange, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt. Seien diese beiden unterschiedlichen Leiter mit A und B bezeichnet und in der Reihenfolge A-B-A in Kontakt gebracht, und befinden sich ferner der Übergang A-B auf einer Temperatur T₁ und der Übergang B-A auf einer Temperatur T₂, so ist die entstehende Spannung lediglich von der Differenz der Temperaturen T₁ und T₂ sowie dem jeweiligen Seebeck-Koeffizienten der beiden Leiter A und B abhängig. Folglich ist eine an einem thermoelektrischen Generator abgreifbare Spannung lediglich von der an den thermischen Generator angelegten Temperaturdifferenz und den Seebeck-Koeffizienten der verwendeten Materialien abhängig.
Im Prinzip kann ein thermoelektrischer Generator analog zu einem Peltier-Element aufgebaut sein. Auch können für einen thermoelektrischen Generator gleiche oder ähnliche Materialien wie zur Herstellung von Peltier-Elementen, wie z. B. Wismut-Tellurit oder Silicium-Germanium, verwendet werden.
Durch den Einsatz von Halbleitermaterialien lässt sich der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators für die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bis auf einige Prozent steigern. In letzter Zeit werden thermoelektrische Generatoren verstärkt zur Nutzung der Abgas-Abwärme, z.B. bei Kraftfahrzeugen, Blockheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen, eingesetzt.
DE 33 14 166 A1 offenbart ein thermoelektrisches System mit einem hohen Wirkungsgrad. Ausgehend von einem heißen Fluidstrom, z. B. einem Abgasstrom, werden mit Rippen, zur besseren thermischen Anbindung, versehene Wärmeleitungsrohre einseitig erhitzt. Die von dem Fluidstrom erhitzten Wärmeleitungsrohre leiten die Wärme an die thermoelektrischen Generatoren, welche an der gegenüber liegenden Seite der Wärmeleitungsrohre montiert sind und als Wärmesenke fungieren. Die Wärmeleitungsrohre sind zur Verbesserung ihrer Wärmeleitfähigkeit mit einem Arbeitsfluid gefüllt, welches am heißen Teil der Wärmeleitungsrohre verdampft und an dem etwas kälteren Teil, an welchem die thermoelektrischen Generatoren ange ordnet sind, rekondensiert. Mit Hilfe des in DE 33 14 166 A1 offenbarten thermoelektrischen Systems kann eine besonders effektive Wärmeankopplung von thermoelektrischen Generatoren z.B. an einen Abgasstrom erreicht werden. Das offenbarte System ist insbesondere für den Einsatz im Hochtemperaturbereich, bei Arbeitstemperaturen von mehr als 400°C geeignet.
US 4 125 122 A offenbart eine Methode und Vorrichtung zur thermoelektrischen Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Die offenbarte Vorrichtung ist als Wärmetauscher konzipiert, welcher nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Die in US 4 125 122 A offenbarte Vorrichtung sieht zwei voneinander getrennte Kreisläufe vor, in denen Medien zur Wärmeübertragung zirkulieren. Ein erstes Medium transportiert Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Mindestens ein erstes Wärmeleitungsrohr steht in thermischem Kontakt mit der heißen Strömung des ersten Mediums; mindestens ein zweites Wärmeleitungsrohr steht in thermischem Kontakt mit der kälteren Strömung des ersten Mediums. Thermoelektrische Generatoren befinden sich in thermischem Kontakt sowohl mit einem der heißen wie auch mit einem der kälteren Wärmeleitungsrohre. Innerhalb der Wärmeleitungsrohre zirkuliert ein zweites Medium in einem zweiten, durch einen Thermosiphoneffekt angetriebenen Kreislauf. Bei demjenigen Wärmeleitungsrohr, welches sich in thermischem Kontakt mit der heißen Strömung des ersten Mediums befindet, zirkuliert das sich innerhalb des Wärmeleitungsrohres befindliche zweite Medium gasförmig von einem heißen, in thermischem Kontakt mit dem ersten Medium befindlichen Ende des Wärmeleitungsrohres zu einem kälteren, in thermischem Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator befindlichen Ende. An diesem Ende, welches sich in thermischem Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator befindet, kondensiert das gasförmige zweite Medium und gibt auf diese Weise die Kondensationswärme an den thermoelektrischen Generator ab. Das zweite Medium gelangt in flüssiger Phase zurück an das erste Ende des Wärmeleitungsrohres, um erneut verdampft zu werden.
In dem Wärmeleitungsrohr, welches sich in thermischem Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators befindet, erfolgt eine Zirkulation des zweiten Mediums, in dem es der, in thermischem Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators stehenden Seite des Wärmeleitungsrohres verdampft, und an der (noch) kälteren Seite des Wärmeleitungsrohres, welche in Kontakt mit dem ersten Medium steht, kondensiert.
Sowohl das in DE 33 14 166 A1 wie auch das in US 4 125 122 A offenbarte thermoelektrischen System verfolgt das Ziel einer möglichst effektiven und verlustfreien thermischen Ankopplung der thermoelektrischen Generatoren an ein heißes Arbeitsfluid. Bei diesen Systemen besteht jedoch die Gefahr, dass ihre thermoelektrischen Generatoren zu hohen Temperaturen ausgesetzt werden und deshalb Schaden nehmen können.
Eine weitere thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Generator ist der US 3,881,962 zu entnehmen. Bei dieser Einrichtung ist ein mit einem verdampfbaren Arbeitsmedium gefülltes kammerartiges Rohrleitungssystem vorhanden, das sich zwischen einem als Wärmequelle anzusehenden Erhitzungsbereich und einem als Wärmesenke anzusehenden Kondensor verläuft. Zu einer eine Schädigung ausschließende Temperaturbegrenzung an einem thermoelektrischen Modul ist dieses von dem Kondensor räumlich getrennt angeordnet. Außerdem ist an den Kondensorraum zusätzlich eine Rohrleitung angeschlossen, die zu einem geodätisch höher liegenden Druckventil führt, mit dessen Hilfe der Druck des Arbeitsmediums und damit der thermische Fluss von dem Erhitzungsbereich zu dem Kondensor begrenzt werden kann. Eine derartige Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Modul ist konstruktiv aufwendig.
Eine weitere thermoelektrische Einrichtung mit zwei thermoelektrischen Generatoren, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke geht auch aus der JP 2003-219 671 A hervor. Es kommen zwei Arbeitmedien mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zum Einsatz.
Auch bei einem Energiegewinnungssystem mit einem thermoelektrischen Generator für Hybrid-Automobile, wie es der WO 2004/092662 A1 zu entnehmen ist, werden zwei Arbeitsmedien verwendet. Eines der Arbeitsmedien dient dabei zur Kühlung einer Wärmesenke, während das andere Arbeitsmedium mit einer Wärmequelle des Automobils verbunden ist.
EP 1 615 274 A2 offenbart einen thermoelektrischen Konversionsmodul zur Energiegewinnung, bei dem ebenfalls eine Temperaturdifferenz ausgenutzt wird. Dabei werden thermoelektrische Halbleiterelemente und Elektroden zwischen einer Kühlplatte und einer Heizplatte angeordnet.
Aus der JP 2000-35824 A ist ein thermoelektrischer Generator für die Verbrennungsmaschine eines Kraftfahrzeugs zu entnehmen, bei dem eine Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator unter Verwendung eines deformierbaren Bimetallelementes erfolgt.
WO 80/01438 offenbart einen thermoelektrischen Generator, bei dem zwei verschiedene Materialien mit thermoelektrischen Eigenschaften zum Einsatz kommen.
Das aus der eingangs genannten EP 1 522 685 A1 entnehmbare System zur Abgaskontrolle eines Automobils mit einem thermoelektrischen Generator und mit Mitteln zu einer Temperaturbegrenzung weist die eingangs genannten Merkmale aus. Hierbei lassen sich verschieden Arbeitsmedien wie Öl zum Wärmetransport von einem Abgassystem als Wärmequelle zu dem thermoelektrischen Generator verwenden. Eine mit den Temperaturverhältnissen veränderbare Wärmekontaktfläche zu dem thermoelektrischen Generator, insbesondere unter Verwendung eines schmelzbaren Lotmaterials, führt zu einer Temperaturbegrenzung an dem Generator.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoelektrische Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei der eine gute Anpassung an die jeweiligen Temperaturverhältnisse derart ermöglicht wird, dass dann die genannte Gefahr einer unzulässigen Überhitzung nicht besteht.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, die latente Wärme eines Phasenübergangs zum Schutz eines thermoelektrischen Generators vor Überhitzungen auszunutzen. Erfindungsgemäß soll eine thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator angegeben werden, welcher auf einer ersten Seite mit einer Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit einer Wärmesenke thermisch verbunden ist. Die thermoelektrische Einrichtung soll weiterhin Mittel zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator aufweisen, die eine sich gegenüberliegende Flächen aufweisende flache erste Kammer aufweisen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sind und die mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist und die großflächig an ihren sich gegenüberliegenden Flächen thermisch mit der Wärmequelle bzw. dem thermoelektrischen Generator verbunden ist. Das erste Arbeitsmedium soll eine Schmelztemperatur aufweisen, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt. Die mit dieser Ausgestaltung der thermoelektrischen Einrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei einer steigenden Temperatur der Wärmequelle der thermoelektrische Generator vor thermischer Zerstörung geschützt wird. Erreicht die Wärmequelle die Schmelztemperatur des ersten Arbeitsmediums, wird Wärmeenergie für ein Aufschmelzen des ersten Arbeitsmediums verwendet. Weiterhin vorteilhaft kann bei einem späteren Absinken der Temperatur der Wärmequelle die Schmelzwärme wieder an den thermoelektrischen Generator abgegeben werden. Auf diese Weise kann der thermoelektrische Generator auf einer durch die Schmelztemperatur des ersten Arbeitsmediums definierten Temperatur gehalten werden. Tempera turschwankungen der Wärmequelle können in dem Umfang, wie die Speicherkapazität des schmelzbaren ersten Arbeitsmediums ausreichend ist, abgefangen werden.
Die Mittel zur Temperaturbegrenzung sollen erfindungsgemäß außerdem eine sich gegenüberliegende Flächen aufweisende flache zweite Kammer aufweisen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sind, die mit einem verdampfbaren zweiten Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist und die großflächig an ihren sich gegenüberliegenden Flächen mit der ersten Kammer und dem thermoelektrischen Generator verbunden ist. Weiterhin können die Mittel zur Temperaturbegrenzung ein mit der zweiten Kammer verbundenes Rohrleitungssystem aufweisen, in das ein Rückkühler integriert ist, der sich an einem geodätisch höher gelegenen Ort als die zweite Kammer befindet und das Rohrleitungssystem kann derart ausgestaltet sein, dass ein gasförmiger Anteil des zweiten Arbeitsmediums von der zweiten Kammer ungehindert zu dem Rückkühler aufsteigen kann, wo es rückverflüssigt werden kann. Die Mittel zur Temperaturbegrenzung können ferner derart ausgestaltet sein, dass flüssiges und gasförmiges zweites Arbeitsmedium bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zumindest in Teilen der zweiten Kammer und des Rohrleitungssystems zirkulieren kann. Das zweite Arbeitsmedium kann ferner eine Siedetemperatur aufweisen, die oberhalb der Schmelztemperatur des ersten Mediums und unterhalb der kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt. Steigt die Temperatur der Wärmequelle über den Schmelzpunkt des ersten Mediums an, wird zunächst Wärmeenergie, bedingt durch die latente Wärme des Schmelzvorgangs, in der ersten mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium gefüllten Kammer gespeichert. Falls die Temperatur der Wärmequelle weiterhin steigt, oder auf einem Temperaturniveau verharrt, welches überhalb der Schmelztemperatur des ersten Mediums liegt, und die Speicherkapazität des ersten Arbeitsmediums erschöpft ist, beginnt bei Erreichen der Siedetemperatur des zweiten Arbeitsmediums dieses in den gasförmigen Zustand überzugehen. Bedingt durch den Phasenüber gang „flüssig-gasförmig" des zweiten Arbeitsmediums wird Wärmeenergie von dem zweiten Arbeitsmedium aufgenommen. Gasförmiges zweites Arbeitsmedium kann zu einem Rückkühler aufsteigen, an dem es rückverflüssigt wird. Auf diese Weise wird überschüssige Wärme über den Rückkühler abgeführt. Die thermoelektrische Einrichtung verfügt somit zum einen über einen 'Wärmespeicher und zum anderen über eine Einrichtung zur Begrenzung der maximal an dem thermoelektrischen Generator anliegenden Temperatur auf den Siedepunkt des zweiten Arbeitsmediums. Auf diese Weise können sowohl Temperaturschwankungen der Wärmequelle durch ein Aufschmelzen und Rekristallisieren des ersten Arbeitsmediums abgepuffert werden als auch kann der thermoelektrische Generator vor Überhitzung geschützt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach diesem Anspruch mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die thermoelektrische Einrichtung nach der Erfindung noch zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:

– Das erste Arbeitsmedium kann in flüssigem Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in festem Zustand. Jedes physikalische Bauteil besitzt einen ihm eigenen spezifischen thermischen Widerstand. Liegt der thermische Widerstand der flüssigen Phase eines Materials höher als der thermische Widerstand der festen Phase, so steigt bei Überschreiten der Schmelztemperatur der thermische Widerstand des entsprechenden Materials an. Wird ein solches Material als erstes Arbeitsmedium in einer thermoelektrischen Einrichtung verwendet, so kann ein zusätzlicher Schutz des thermoelektrischen Generators vor einer Überhitzung erreicht werden.
– Das erste Arbeitsmedium kann eine Schmelztemperatur aufweisen, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Generators entspricht, wobei die Arbeitstemperatur unterhalb der kritischen Temperatur, oberhalb derer der thermoelektrische Generator Schaden nimmt, liegt. Besonders vorteilhaft kann so der thermoelektrische Generator auf einer optimalen Arbeitstemperatur gehalten werden. Temperaturschwankungen der Wärmequelle können auf diese Weise abgepuffert werden.
– Die Wärmequelle kann zumindest mit Teilen eines Abgassystems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Abgassystems gebildet sein. Durch den Einsatz eines thermoelektrischen Generators, welcher thermisch mit dem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine verbunden ist, kann die Abgaswärme einer solchen Verbrennungsmaschine genutzt werden.
– Die Wärmesenke kann zumindest mit Teilen eines Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Kühlsystems gebildet sein. Zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators ist eine Wärmequelle und eine Wärmesenke nötig. Eine Verbrennungsmaschine weist typischerweise ein Kühlsystem auf und erlaubt auf diese Weise, einfach und effektiv eine Wärmesenke für den thermoelektrischen Generator bereitzustellen.
– Die Wärmesenke kann mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche thermisch verbunden sein. Eine durch einen Luftzug zu kühlende Fläche stellt ein besonders einfaches, robustes und preiswertes Bauteil zur Verfügung, welches als Wärmesenke verwendbar ist.
– Die Verbrennungsmaschine kann Teil eines Kraftfahrzeugs sein. Heutige Kraftfahrzeuge benötigen zum Betrieb verschiedener elektronischer Einrichtungen steigende Mengen elektrischer Energie. Die Nutzung der Abgaswärme der Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs senkt den Primärenergiebedarf des Kraftfahrzeugs zur Deckung der benötigten elektrischen Energie.
– Das erste Arbeitsmedium kann ein Lot sein, welches insbesondere Blei, Tellur oder Wismut elementar oder als Legierungspartner enthält. Ein Lot, welches eines oder mehrere der vorgenannten Elemente enthält, liefert die für das erste Arbeitsmedium gewünschten physikalischen Eigenschaften und ist zudem in der technischen Anwendung erprobt.
– Das zweite Arbeitsmedium kann ein Öl, vorzugsweise ein Motorenöl, mit einer Siedetemperatur zwischen 100°C und 500°C, vorzugsweise mit einer Siedetemperatur zwischen 200°C und 300°C, bei einem Druck von 2 bis 5 bar sein. Die angegebenen Temperaturbereiche sind zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators besonders geeignet. Typischerweise besitzt das Kühlwasser eines Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine maximal eine Temperatur von ca. 100°C. Um gleichzeitig eine effektive Energieausbeute durch die an den thermoelektrischen Generator angelegte Temperaturdifferenz zu gewährleisten, sollte sich die warme Seite des thermoelektrischen Generators auf einer Temperatur von mehr als ca. 200° befinden. Die maximale Belastbarkeit typischer kommerziell gut verfügbarer, thermoelektrischer Generatoren beträgt ca. 300°C. Thermoelektrische Generatoren, welche speziell für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt sind, verfügen über maximale Belastungstemperaturen von etwa 500°C. Da die Siedetemperatur des zweiten Arbeitsmediums die maximal von den mittleren zur Temperaturbegrenzung zugelassene Temperatur definiert, ist ein Siedepunkt in den angegebenen Temperaturbereichen für eine thermoelektrische Einrichtung besonders vorteilhaft.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor, in der bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung angedeutet sind. Dabei zeigen deren
1 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung,
2 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Mittel zur Temperaturbegrenzung um eine zweite, mit einem zweiten flüssigen Arbeitsmedium gefüllte Kammer ergänzt sind,
3 den schematischen Verlauf der Temperatur des thermoelektrischen Generators einer thermoelektrischen Einrichtung als zeitliche Funktion,
4 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen des Ab gassystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist, und
5 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen eines Abgassystems verbunden ist und die Wärmesenke mit Teilen des Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist.
Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemein bekannt.
1 zeigt den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Ihr thermoelektrischer Generator 212 ist großflächig auf einer ersten Seite thermisch mit einer Wärmesenke 211 verbunden ist. Die warme Seite des thermoelektrischen Generators 212 ist großflächig thermisch mit einer Kammer 214 verbunden, die mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium 218 gefüllten ist. Die erste Kammer 214 ist wiederum großflächig thermisch mit einer Wärmequelle 217 verbunden. Die thermische Verbindung zwischen den vorgenannten Elementen kann vorzugsweise durch eine ebenfalls großflächige mechanische Verbindung realisiert sein.
Bedingt durch die Wärmequelle 217 und die Wärmesenke 211 liegt an dem thermoelektrischen Generator 212 ein Temperaturgefälle an. An elektrischen Anschlüssen 213 des thermoelektrischen Generators 212 kann eine elektrische Spannung abgegriffen werden.
Zu Zwecken der Erläuterung der Funktionsweise der thermoelektrischen Einrichtung gemäß dem in 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sei davon ausgegangen, dass die Wärmequelle eine Temperatur aufweise, welche zeitlich um einen für den Betrieb des thermoelektrischen Generators geeigneten Wert schwanke.
Steigt die Temperatur der Wärmequelle über die Schmelztemperatur T_L des ersten Arbeitsmediums 218, so wird dieses zumindest teilweise aufgeschmolzen. Die Temperatur des thermoelektrischen Generators 212 bleibt dabei konstant. Sinkt im Folgenden die Temperatur der Wärmequelle 217 unter die Schmelztemperatur des ersten Arbeitsmediums 218, so wird sich flüssiges erstes Arbeitsmedium 218 wieder verfestigen. Die Erstarrungswärme wird in diesem Fall zumindest teilweise an den thermoelektrischen Generator 212 abgegeben. Auf diese Weise kann ein konstantes Temperaturgefälle über den thermoelektrischen Generator aufrechterhalten werden.
2 zeigt den an sich aus 1 bekannten Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die Mittel zur Temperaturbegrenzung sind hier um eine weitere, mit einer Flüssigkeit 222 gefüllte Kammer 221 ergänzt. An diese Kammer ist ein Rohrleitungssystem 223 angeschlossen, in welches ein Rückkühler 224 integriert ist. Die zweite Kammer 221 sowie das Rohrsystem 223 sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass anfallendes gasförmiges zweites Arbeitsmedium 222 ungehindert zu dem Rückkühler 224 aufsteigen kann, der sich an einer geodätisch höheren Position als die zweite Kammer 221 befindet. Der gasförmige Anteil des zweiten Arbeitsmediums 222 kann an dem Rückkühler 224 rückverflüssigt werden und schwerkraftgetrieben zurück in die zweite Kammer 221 gelangen. Gasförmiges und flüssiges zweites Arbeitsmedium 222 können zumindest in Teilen der zweiten Kammer 221 und des Rohrleitungssystems 223, bedingt durch einen Thermosiphoneffekt, zirkulieren.
Die weitere Funktionsweise des in 2 dargestellten Ausführungsbeispiels der thermoelektrischen Einrichtung wird im Folgenden anhand des in 3 schematisch dargestellten Graphen erläutert
3 zeigt einen schematischen Temperaturverlauf der Temperatur des thermoelektrischen Generators T_TEG als Funktion der Zeit t. Es sei eine thermoelektrische Einrichtung gemäß dem in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel angenommen. Zur Erläuterung der Funktionsweise, von sei einer Wärmequelle ausgegangen, welche eine konstant hohe Temperatur aufweist, die oberhalb der maximal für den thermoelektrischen Generator 212 zulässigen Temperatur 231 liegt. Die Temperatur des thermoelektrischen Generators T_TEG steigt zunächst mit einer gewissen Heizrate gemäß dem mit 234 bezeichneten Teil des Graphen an. Bei Erreichen der Schmelztemperatur T_L des ersten Mediums wird die von der Wärmequelle ausgehende Wärme zum Aufschmelzen des sich in der ersten Kammer 214 befindlichen ersten Mediums 218 verwendet. Vorzugsweise kann die Schmelztemperatur T_L des ersten Mediums einer bevorzugten Arbeitstemperatur 232 des thermoelektrischen Generators 212 entsprechen.
Nachdem das erste Medium 218 vollständig in die flüssige Phase übergegangen ist, steigt die Temperatur des thermoelektrischen Generators T_TEG gemäß einem weiteren, mit 235 bezeichneten Teil des Graphen an. Die Steigung des Temperaturanstieges in dem mit 235 bezeichneten Teil kann insbesondere geringer als die Steigung des mit 234 bezeichneten Teils des Graphen sein. Der verlangsamte Temperaturanstieg ist bedingt durch eine gegenüber der festen Phase geringere thermische Leitfähigkeit der flüssigen Phase des ersten Mediums 218.
Insbesondere vorteilhaft kann durch den Einsatz eines derartigen Mediums, bei dem die flüssige Phase eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als die feste Phase, der thermische Widerstand der Kammer 214, nach dem das Medium 218 vollständig aufgeschmolzen ist, gesteigert werden und somit ein zusätzlicher thermischer Schutz des thermoelektrischen Generators 212 gewährleistet werden.
Mit weiterer Zunahme der Temperatur steigt die Temperatur des thermoelektrischen Generators T_TEG weiter bis zur Siedetemperatur T_S des zweiten Mediums 222 an. Bei Erreichen der Siedetemperatur T_S des zweiten Mediums 222 geht dieses in die gasförmige Phase über. Gasförmiges zweites Medium 222 kann unge hindert durch das Rohrleitungssystem 223 bis zu dem Rückkühler 224 aufsteigen, an dem es rückverflüssigt werden kann. Auf diese Weise kann überschüssige Wärme, welche sonst zu einer thermischen Belastung des thermoelektrischen Generators 212 beitragen würde, über den Rückkühler 224 abgeführt werden.
Gemäß dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Einrichtung kann, wie in 3 illustriert, die maximal an dem thermoelektrischen Generator 212 anliegende Temperatur T_TEG einen kritischen Wert 231, ab dem der thermoelektrische Generator 212 zerstört werden könnte, nicht erreichen.
4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung. Der an sich aus 1 bekannte Aufbau ist dahingehend erweitert, dass hier die Wärmequelle 217 mit Teilen des Abgassystems 242 einer Verbrennungsmaschine 241 verbunden ist. Die Verbindung der Wärmequelle 217 mit dem Abgassystem 242 der Verbrennungsmaschine 241 ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, da typischerweise das Abgas einer Verbrennungsmaschine 241 abhängig von dem Belastungsgrad der Verbrennungsmaschine 241 verschiedene Temperaturen aufweisen kann. Die temperaturmoderierende Wirkung des ersten Mediums 218 in der ersten Kammer 214 kann besonders vorteilhaft in der Verbindung mit einer Verbrennungsmaschine sein.
5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die an sich aus 4 bekannte Einrichtung dahingehend erweitert ist, dass die Wärmesenke 211 mit Teilen des Rückkühlsystems 251 einer Verbrennungsmaschine 241 verbunden ist. Eine Verbrennungsmaschine 241 verfügt typischerweise über ein Kühlsystem 251. Dieses vielfach mit Wasser betriebene Kühlsystem stellt mit einer Temperatur von ca. 100°C eine geeignete, gut verfügbare Wärmesenke 211 zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators 212 dar. Weiterhin kann die Wärmesenke mit zumindest Teilen des Ölkühlsystems der Verbrennungsmaschine 241 verbunden sein. Zusätzlich oder auch ausschließlich kann die Wärmesenke 211 mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche 252 thermisch verbunden sein.
Gemäß einem weiteren, nicht näher ausgeführten Ausführungsbeispiel kann die thermoelektrische Einrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmaschine 241 verwendet werden. Eine durch einen Luftzug zu kühlende Fläche 252 kann in diesem Fall z.B. durch den Fahrtwind des sich in Betrieb befindlichen Kraftfahrzeugs gekühlt werden.

Claims

Thermoelektrische Einrichtung a) mit einem thermoelektrischen Generator (212), einer Wärmequelle (217) und einer Wärmesenke (211), wobei der thermoelektrische Generator (212) auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle (217) und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke (211) thermisch verbunden ist, und b) mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator (212), die eine erste und eine zweite, jeweils flache, sich gegenüberliegende Flächen aufweisende Kammer (214, 221) umfassen, deren Abmessungen jeweils an die des thermoelektrischen Generators (212) angepasst sind, wobei b1) die erste Kammer (214) – mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium (218) zumindest weitgehend ausgefüllt ist und – mit der einen der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der Wärmequelle (217) und mit der anderen der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit einer Fläche der zweiten Kammer (221) verbunden ist, und wobei b2) die zweite Kammer (221) – mit einem verdampfbaren zweiten Arbeitsmedium (222) zumindest weitgehend ausgefüllt ist, – an ihrer der ersten Kammer (214) abgewandten Fläche großflächig mit dem thermoelektrischen Generator (212) verbunden ist, und – mit einem Rohrleitungssystem (223) verbunden ist, in das ein Rückkühler (224) integriert ist, der sich an einem geodätisch höher gelegenen Ort als die zweite Kammer (221) befindet, und das derart ausgestaltet ist, dass ein gasförmiger Anteil des zweiten Arbeitsmediums (222) von der zweiten Kammer (221) ungehindert zu dem Rückkühler (224) aufsteigen kann, wo es rückverflüssigt werden kann, wobei c) die zweite Kammer (221) und das Rohrleitungssystem (223) derart ausgestaltet sind, dass flüssiges und gasförmiges zweites Arbeitsmedium (222) bedingt durch einen Thermosyphoneffekt zumindest in Teilen der zweiten Kammer (221) und des Rohrleitungssystems (223) zirkulieren kann, und wobei d) das erste Arbeitsmedium (218) eine Schmelztemperatur (T_L) aufweist, die unterhalb einer kritischen Temperatur (231) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (212) dauerhaft Schaden nimmt, und das zweite Arbeitsmedium (222) eine Siedetemperatur (T_S) aufweist, die oberhalb der Schmelztemperatur (T_L) des ersten Arbeitsmediums (218) und unterhalb der kritischen Temperatur (231) liegt.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium (218) in flüssigem Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in festem Zustand.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium (218) eine Schmelztemperatur (T_L) aufweist, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur (232) des thermoelektrischen Generators (212) entspricht, wobei die Arbeitstemperatur (232) unterhalb der kritischen Temperatur (231) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (212) dauerhaft Schaden nimmt.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (217) zumindest mit Teilen eines Abgassystems (242) einer Verbren nungsmaschine (241) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Abgassystems (242) gebildet ist.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (211) zumindest mit Teilen eines Kühlsystems (251) der Verbrennungsmaschine (241) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Kühlsystems (251) gebildet ist.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (211) mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche (252) thermisch verbunden ist.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmaschine (241) Teil eines Kraftfahrzeugs ist.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium (218) ein Lot ist.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot Blei, Tellur oder Wismut elementar oder als Legierungspartner enthält.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsmedium (222) ein Öl, vorzugsweise ein Motorenöl, mit einer Siedetemperatur zwischen 100°C und 500°C bei einem Druck zwischen 2 und 5 bar ist.
Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als zweites Arbeitsmedium (222) vorgesehene Öl eine Siedetemperatur zwischen 200°C und 300°C bei einem Druck zwischen 2 bar und 5 bar aufweist.