DE102006040854A1 - Thermo electric device for motor vehicle, has thermo electrical generator, which is connected thermally with heat source at side and connected thermally with heat sink at another side and has thermal resistance - Google Patents

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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Abstract

The thermo electric device has a thermo electrical generator (312), which is connected thermally with a heat source (316) at a side and connected thermally with a heat sink (311) at another side and has a thermal resistance, which has a flat component (314) having opposite surfaces. The thermal resistance of the component is selected, such that the maximum temperature of the heat source is reduced in a temperature, which lies below a critical temperature, above which the thermo electrical generator damages permanently.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie, indem an diesen eine Temperaturdifferenz angelegt wird. Die warme Seite des thermoelektrischen Generators ist thermisch mit einer Wärmequelle und die kalte Seite ist thermisch mit einer Wärmesenke verbunden. Eine solche thermoelektrische Einrichtung geht aus der DE 33 14 166 A1 hervor. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen thermoelektrischen Einrichtung.The invention relates to a thermoelectric device with a thermoelectric generator for generating electrical energy by applying a temperature difference to it. The warm side of the thermoelectric generator is thermal with a heat source and the cold side is thermally connected to a heat sink. Such a thermoelectric device is derived from the DE 33 14 166 A1 out. The invention further relates to the use of such a thermoelectric device.

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.The direct conversion of heat in electrical energy is using a so-called thermoelectric Generator possible. A thermoelectric generator is a component of two different, interconnected materials, preferably two different or differently doped semiconductors, which due to the Seebeck effect generates an electrical voltage when the joints of the different materials have different temperatures.

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 nun 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.The Seebeck effect describes the generation of an electrical voltage in an electrical conductor along a temperature gradient caused by thermal diffusion currents. In order to use the Seebeck effect technically, it is necessary to bring two different electrical conductors with different electronic heat capacity into contact with each other. Due to the different electronic heat capacity, the electrons in the two conductors have different kinetic energies at the same temperature. If these conductors are brought into contact with one another, a diffusion of higher-energy electrons will be generated in the direction of the conductor with the low-energy electrons, until a dynamic equilibrium is reached. If these two different conductors are denoted by A and B and are now brought into contact in the sequence ABA, and if, furthermore, the transition AB is at a temperature T 1 and the transition BA is at a temperature T 2 , then the resulting voltage is only from the difference of the temperatures T 1 and T 2 and the respective Seebeck coefficient of the two conductors A and B dependent. Consequently, a voltage which can be tapped off on a thermoelectric generator depends only on the temperature difference applied to the thermal generator and the Seebeck coefficient of the materials used.

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.in the Principle can be a thermoelectric generator analogous to a Peltier element be constructed. Also can for one thermoelectric generator same or similar materials as for Production of Peltier elements, such as e.g. Bismuth tellurite or Silicon germanium.

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.By The use of semiconductor materials can be the efficiency of a thermoelectric generator for the conversion of heat energy into electrical energy up to a few percent increase. In the last Time, thermoelectric generators are amplified to use the exhaust waste heat, e.g. used in motor vehicles, combined heat and power plants or waste incineration plants.

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. DE 33 14 166 A1 discloses a thermoelectric system with a high efficiency. Starting from a hot fluid flow, for example an exhaust gas stream, heat pipes which are provided with fins, for better thermal connection, are heated on one side. The heat pipes heated by the fluid flow conduct the heat to the thermoelectric generators mounted on the opposite side of the heat pipe and functioning as a heat sink. The heat pipe tubes are filled to improve their thermal conductivity with a working fluid, which is evaporated at the hot part of the heat pipe and at the slightly colder part, where the thermoelectric generators are arranged, recondensed. With the help of in DE 33 14 166 A1 disclosed thermoelectric system, a particularly effective thermal coupling of thermoelectric generators, for example, to an exhaust gas stream can be achieved. The disclosed system is particularly suitable for use in the high temperature range, at working temperatures of more than 400 ° C.

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 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. US 4 125 122 A discloses a method and apparatus for thermoelectric conversion of heat to electrical energy. The disclosed device is designed as a heat exchanger, which operates on the countercurrent principle. In the US 4,125,122 disclosed device provides two separate circuits in which circulate media for heat transfer. A first medium transports heat from a heat source to a heat sink. At least one first heat pipe is in thermal contact with the hot flow of the first medium; at least one second heat pipe is in thermal contact with the colder flow of the first medium. Thermoelectric generators are in thermal contact with both one of the hot and one of the colder heat pipes. Within the heat pipes, a second medium circulates in a second thermosiphon-driven circuit. In that heat pipe which is in thermal contact with the hot flow of the first medium, the second medium within the heat pipe circulates in a gaseous form from a hot end of the heat pipe in thermal contact with the first medium to a colder, in thermal contact with the thermoelectric generator be sensitive end. At this end, which is in thermal contact with the thermoelectric generator, the gaseous second medium condenses and in this way releases the heat of condensation to the thermoelectric generator. The second medium returns in liquid phase to the first end of the heat pipe to be re-evaporated.

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.In the heat pipe, which is in thermal contact with the cold side of the thermoelectric Generator, there is a circulation of the second medium, in which it is, in thermal contact with the cold side of the thermoelectric Generator side of the heat pipe evaporated, and on the (still) colder side the heat pipe, which is in contact with the first medium condenses.

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.Both the in DE 33 14 166 A1 as well as in US 4 125 122 A The disclosed thermoelectric system pursues the goal of the most effective and loss-free thermal coupling of the thermoelectric generators to a hot working fluid. In these systems, however, there is a risk that their thermoelectric generators are exposed to high temperatures and therefore can be damaged.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine thermoelektrische Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei der ihr thermoelektrischer Generator zumindest zeitweise an einer Wärmequelle betrieben werden kann, die eine Temperatur ausweist, die über der maximal für den thermoelektrischen Generator zulässigen Temperatur liegt. Dabei soll die genannte Gefahr einer unzulässigen Überhitzung nicht bestehen. Außerdem sollen eine besondere Verwendung einer solchen thermoelektrischen Einrichtung angegeben werden.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a thermoelectric Specify device with the features mentioned, at their thermoelectric generator at least temporarily at one heat source can be operated, which has a temperature above the maximum for the thermoelectric generator allowed Temperature is. The stated risk of inadmissible overheating should not pass. In addition, should a particular use of such a thermoelectric device be specified.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäß 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 einen thermischen Widerstand umfassen, der mindestens ein sich gegenüberliegende Flächen aufweisendes flaches Bauteil aufweist, dessen Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sind und das großflächig an seinen sich ge genüberliegenden Flächen thermisch mit der Wärmequelle bzw. dem thermoelektrischen Generator verbunden ist. Der thermische Widerstand des Bauteils soll derart gewählt sein, dass die maximale Temperatur der Wärmequelle auf eine Temperatur reduziert wird, welche unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt.These The object is achieved by the measures specified in claim 1 solved. Accordingly, a Thermoelectric device with a thermoelectric generator which are on a first side with a heat source and thermally connected on a second side with a heat sink is. The thermoelectric device should continue to be a thermal Include resistance that is at least one opposite surfaces having exhibiting flat component whose dimensions to the are adapted to the thermoelectric generator and the large surface of his opposite each other surfaces thermally with the heat source or the thermoelectric generator is connected. The thermal Resistance of the component should be chosen such that the maximum Temperature of the heat source is reduced to a temperature which is below a critical temperature above which the thermoelectric generator permanently Takes damage.

Die mit der zuvor beschriebene Ausgestaltung der thermoelektrischen Einrichtung verbundenen Vorteile sind dann darin zu sehen, dass ihr thermoelektrischer Generator, dessen maximale Betriebstemperatur unterhalb der Temperatur der Wärmequelle liegt, dennoch an dieser betrieben werden kann. Insbesondere vorteilhaft ist die Möglichkeit, einen thermoelektrischen Generator mit einer niedrigen Betriebstemperatur, welcher in der Regel preiswerter als ein thermoelektrischer Generator mit einer hohen Betriebstemperatur ist, an einer Wärmequelle mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur zu betreiben. Mit der vorbeschriebenen Ausgestaltung der thermoelektrischen Einrichtung erschließt sich für preiswerte thermoelektrische Generatoren wegen ihrer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur ein neues Anwendungsfeld.The with the previously described embodiment of the thermoelectric Device related benefits can then be seen in that their thermoelectric generator, its maximum operating temperature below the temperature of the heat source is, yet can be operated on this. Especially advantageous is the possibility a thermoelectric generator with a low operating temperature, which is usually cheaper than a thermoelectric generator with a high operating temperature, at a heat source with a relatively high Temperature to operate. With the above-described embodiment The thermoelectric device opens up for low-cost thermoelectric Generators because of their relatively low Operating temperature a new field of application.

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 Unteranspruches oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die thermoelektrische Einrichtung nach der Erfindung noch zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:

  • – Das flache Bauteil kann eine Keramik, vorzugsweise eine Sinterkeramik, umfassen. Keramiken, vorzugsweise Sinterkeramiken, insbesondere auf Oxid- oder Titanat- oder Carbid-Basis, weisen einen hohen thermischen Widerstand auf und sind zudem auch bei hohen Temperaturen langzeitstabil. Ein keramisches Bauteil ist daher als thermischer Widerstand besonders geeignet.
  • – Alternativ kann das flache Bauteil auch eine mit Flüssigkeit gefüllte, vorzugsweise mit einem Öl gefüllte Kammer umfassen. Flüssigkeiten weisen in der Regel einen höheren thermischen Widerstand insbesondere als metallische Werkstoffe auf. Eine mit Flüssigkeit gefüllte, vorzugsweise mit einem Öl gefüllte Kammer ist daher als thermischer Widerstand besonders geeignet.
  • – Stattdessen kann das flache Bauteil auch eine mit einem Gas, vorzugsweise mit Luft, befüllbare Kammer umfassen. Gase weisen eine geringe thermische Leitfähigkeit auf und sind daher als Mittel zur Ausgestaltung eines thermischen Widerstandes besonders geeignet.
  • – Als weitere Alternative kann das flache Bauteil auch eine Vakuumkammer umfassen. Durch eine Vakuumkammer kann nämlich unter Vernachlässigung der Wände derselben ein Wärmestrom lediglich in Form von Wärmestrahlung propagieren. Indem ein Wärmestrom lediglich mittels Wärmestrahlung und nicht mittels Festkörperleitung oder Konvektion transportiert wird, kann ein hoher thermischer Widerstand des Bauteils erreicht werden.
  • – Ferner kann das flache Bauteil auch einen durchströmbaren, vorzugsweise mit Luft durchströmbaren Kanal umfassen. Der von der Wärmequelle ausgehende Wärmestrom überträgt sich zumindest teilweise auf das in dem Kanal strömende Medium. Infolge der Strömung wird ein Teil des Wärmestroms mit dem strömenden Medium abtransportiert. Der Wärmetransport über den durchströmbaren Kanal hinweg findet daher im Wesentlichen mittels Wärmestrahlung statt. Auf diese Weise kann ein hoher thermischer Widerstand des Bauteils erreicht werden. Selbstverständlich ist es gegebenenfalls auch möglich, mehrere der vorstehend genannten unterschiedlichen Ausführungsformen der Bauteile zu einem einen erfindungsgemäßen thermischen Widerstand bildenden Bauteil zu kombi nieren.
  • – Die Wärmequelle kann zumindest mit Teilen des Abgassystems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Abgassystems gebildet sein. Durch die vorbezeichnete Maßnahme kann die Abgaswärme einer Verbrennungsmaschine zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
  • – Die Wärmesenke kann zumindest mit Teilen des Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Kühlsystems gebildet sein. Zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators sind stets eine Wärmequelle und eine Wärmesenke nötig. Eine Verbrennungsmaschine weist typischerweise ein Kühlsystem auf und erlaubt es 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 vorerwähnte Verbrennungsmaschine kann Teil eines Kraftfahrzeugs sein. Heutige Kraftfahrzeuge benötigen immer größere Mengen elektrischer Energie. Durch die Nutzung der Abgaswärme der Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs kann der Primärenergiebedarf des Kraftfahrzeugs zur Deckung der benötigten elektrischen Energie gesenkt werden.
Advantageous embodiments of the thermoelectric device according to the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1. In this case, the embodiment can be combined according to this claim with the features of a dependent claim or preferably also from several subclaims. Accordingly, the thermoelectric device according to the invention may additionally have the following features:
  • The flat component may comprise a ceramic, preferably a sintered ceramic. Ceramics, preferably sintered ceramics, in particular based on oxide or titanate or carbide, have a high thermal resistance and, moreover, are long-term stable even at high temperatures. A ceramic component is therefore particularly suitable as a thermal resistor.
  • Alternatively, the flat component may also comprise a liquid-filled chamber, preferably filled with an oil. Liquids usually have a higher thermal resistance, in particular as metallic materials. A filled with liquid, preferably filled with an oil chamber is therefore particularly suitable as a thermal resistance.
  • Instead, the flat component may also comprise a chamber which can be filled with a gas, preferably with air. Gases have a low thermal conductivity and are therefore particularly suitable as a means for forming a thermal resistance.
  • As a further alternative, the flat component may also comprise a vacuum chamber. Namely, by neglecting the walls thereof, a heat flow can propagate through a vacuum chamber only in the form of heat radiation. By a heat flow is transported only by heat radiation and not by solid state conduction or convection, a high thermal resistance of the component can be achieved.
  • - Furthermore, the flat member may also comprise a through-flow, preferably through-air channel. The heat flow emanating from the heat source is at least partially transferred to the medium flowing in the channel. As a result of the flow, a portion of the heat flow is transported away with the flowing medium. The heat transfer across the permeable channel therefore takes place substantially by means of thermal radiation. In this way, a high thermal resistance of the component can be achieved. Of course, it may also be possible to combine several of the above-mentioned different embodiments of the components into a component forming a thermal resistance according to the invention.
  • - The heat source may be thermally connected at least with parts of the exhaust system of an internal combustion engine or be formed by at least parts of the exhaust system. By the aforementioned measure, the exhaust heat of an internal combustion engine can be used to generate electrical energy.
  • The heat sink can be thermally connected at least to parts of the cooling system of an internal combustion engine or can be formed by at least parts of the cooling system. To operate a thermoelectric generator, a heat source and a heat sink are always necessary. An internal combustion engine typically includes a cooling system, thereby allowing a heat sink for the thermoelectric generator to be easily and effectively provided.
  • - The heat sink can be thermally connected to a surface to be cooled by a draft. A to be cooled by a draft surface provides a particularly simple, robust and inexpensive component available, which can be used as a heat sink.
  • - The aforementioned internal combustion engine may be part of a motor vehicle. Today's motor vehicles require ever larger amounts of electrical energy. By using the exhaust heat of the internal combustion engine of the motor vehicle primary energy demand of the motor vehicle to cover the required electrical energy can be reduced.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung mit einem ihrem thermoelektrischen Generator zugeordneten thermischen Widerstand gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor. Dabei sind in der Zeichnung bevorzugte Ausgestaltungen von er findungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtungen angedeutet.Further advantageous embodiments of the thermoelectric device according to the invention with a thermal associated with its thermoelectric generator Resistance go from the claims not mentioned above and in particular from the following Drawing forth. In this case, preferred embodiments in the drawing he inventive thermoelectric Facilities indicated.

Es zeigenIt demonstrate

1 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung mit einem thermischen Widerstand, 1 the schematic structure of a thermoelectric device with a thermal resistance,

2 den schematischen Verlauf der Temperatur ihres thermoelektrischen Generators als Funktion der Wärmequelle, 2 the schematic course of the temperature of its thermoelectric generator as a function of the heat source,

3 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen des Abgassystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist,
und 3 the schematic structure of a thermoelectric device, wherein the heat source is connected to parts of the exhaust system of an internal combustion engine,
and

4 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen des Abgassystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist und die Wärmesenke mit Teilen des Kühlsystems der Verbrennungsmaschine verbunden ist. 4 the schematic structure of a thermoelectric device, wherein the heat source is connected to parts of the exhaust system of an internal combustion engine and the heat sink is connected to parts of the cooling system of the internal combustion engine.

Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.Yourself in the figures corresponding parts are each given the same reference numerals Mistake. Not closer executed Parts are generally state of the art.

1 zeigt den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Ein thermoelektrischer Generator 312 ist auf einer ersten Seite großflächig mit einer Wärmesenke 311 und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem thermischen Widerstand 314 verbunden. Der thermische Widerstand 314 ist auf einer Seite großflächig mit dem thermoelektrischen Generator 312 und auf seiner gegenüberliegenden Seite mit einer Wärmequelle 316 verbunden. An dem thermoelektrischen Generator 312 liegt eine Temperaturdifferenz an, die durch die Temperaturen der Wärmequelle 316 und der Wärmesenke 311 vorgegeben wird. An elektrischen Anschlüssen 313 des thermoelektrischen Generators 312 kann eine durch die Temperaturdifferenz bedingte elektrische Spannung abgegriffen werden. Weitere Einzelheiten zur Funktion der thermoelektrischen Einrichtung gemäß dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel werden im Folgenden anhand von 2 erläutert. 1 shows the schematic structure of a thermoelectric device according to a first embodiment. A thermoelectric generator 312 is on a first page over a large area with a heat sink 311 and on the opposite side with a thermal resistance 314 connected. The thermal resistance 314 is on one side of a large area with the thermoelectric generator 312 and on its opposite side with a heat source 316 connected. At the thermoelectric generator 312 There is a temperature difference due to the temperatures of the heat source 316 and the heat sink 311 is given. At electrical connections 313 of the thermoelectric generator 312 can be tapped by the temperature difference caused by electrical voltage. Further details on the function of the thermoelectric device according to the above-described embodiment will be described below with reference to 2 explained.

2 zeigt die Temperatur TTEG des thermoelektrischen Generators 312 als Funktion der Temperatur TW der Wärmequelle 316. Der thermoelektrische Generator 312 ist bis zu einer maximalen Temperatur 321 thermisch belastbar. Wäre der thermoelektrische Generator 312 ohne den thermischen Widerstand 314 direkt mit der Wärmequelle 316 verbunden, so würde bei steigender Temperatur TW der Wärmequelle 316 die Temperatur TTEG des thermoelektrischen Generators 312 gemäß der mit 322 bezeichneten Kurve ansteigen. Offensichtlich wird die Belastungsgrenze 321 des thermoelektrischen Generators 312 an dem in 2 mit 324 bezeichneten Punkt erreicht. 2 shows the temperature T TEG of the thermoelectric generator 312 as a function of the temperature T W of the heat source 316 , The thermoelectric generator 312 is up to a maximum temperature 321 thermally resistant. Would be the thermoelectric generator 312 without the thermal resistance 314 directly with the heat source 316 connected, so would with increasing temperature T W of the heat source 316 the temperature T TEG of the thermoelectric generator 312 according to the 322 increase designated curve. Obviously, the load limit 321 of the thermoelectric generator 312 at the in 2 With 324 designated point he enough.

Durch die Verwendung eines thermischen Widerstandes 314, welcher sich zwischen der Wärmequelle 316 und den thermoelektrischen Generator 312 befindet, kann der Temperaturverlauf an dem thermoelektrischen Generator 312 dahingehend verändert werden, dass er der in 2 mit 323 bezeichneten Kurve entspricht. Offensichtlich wird nun erst bei einer wesentlich höheren Temperatur TW der Wärmequelle 316 die Belastungsgrenze 321 des thermoelektrischen Generators 312 erreicht. Der thermische Widerstand 314 wird nun erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass der Verlauf der Kurve 323 eine solche Steigung annimmt, dass bei Erreichen der maximalen Temperatur 325 der Wärmequelle 316 die Temperatur TTEG des thermoelektrischen Generators 312 stets unterhalb der kritischen Temperatur 321 liegt. Diese Temperatur ist in 2 als Schnittpunkt der Geraden 323 und 325 dargestellt und ist mit 326 bezeichnet.By using a thermal resistor 314 which is located between the heat source 316 and the thermoelectric generator 312 can, the temperature profile at the thermoelectric generator 312 be changed so that he in 2 With 323 corresponds to the designated curve. Obviously is now only at a much higher temperature T W of the heat source 316 the load limit 321 of the thermoelectric generator 312 reached. The thermal resistance 314 is now designed according to the invention such that the course of the curve 323 such a slope assumes that when reaching the maximum temperature 325 the heat source 316 the temperature T TEG of the thermoelectric generator 312 always below the critical temperature 321 lies. This temperature is in 2 as the intersection of the line 323 and 325 shown and is with 326 designated.

Das Material des thermischen Widerstandes 314 ist aus einer Vielzahl von Materialien wählbar. Geeignet sind z.B. Keramiken, insbesondere Sinterkeramiken. Der keramische Werkstoff kann ein Oxid, aber auch ein Titanat oder Carbid sein. Ebenfalls geeignet sind keramische Schäume oder Fasermaterialien wie z.B. Steinwolle. Weitere an dieser Stelle nicht genannte Materialien, z.B. Verbundmaterialien sind als Werkstoff für den thermischen Widerstand 314 ebenfalls geeignet.The material of thermal resistance 314 is selectable from a variety of materials. Suitable examples are ceramics, in particular sintered ceramics. The ceramic material may be an oxide, but also a titanate or carbide. Also suitable are ceramic foams or fiber materials such as rock wool. Other materials not mentioned at this point, eg composite materials, are used as material for the thermal resistance 314 also suitable.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der thermische Widerstand 314 als durchströmbarer Kanal ausgeführt. Weiterhin ist die Wärmequelle 316 mit Teilen des Abgassystems 332 einer Verbrennungsmaschine 331 verbunden. Der von der Wärmequelle 316 ausgehende Wärmestrom wird durch die Dimensionierung des thermischen Widerstandes 314 so eingestellt, dass die maximal von der Wärmequelle 316 ausgehende Temperatur auf eine für den thermoelektrischen Generator 312 unkritische Temperatur reduziert wird. 3 shows a further embodiment of a thermoelectric device. According to this embodiment, the thermal resistance 314 designed as a flow-through channel. Furthermore, the heat source 316 with parts of the exhaust system 332 an internal combustion engine 331 connected. The one from the heat source 316 Outgoing heat flow is due to the dimensioning of the thermal resistance 314 adjusted so that the maximum of the heat source 316 outgoing temperature to one for the thermoelectric generator 312 uncritical temperature is reduced.

Der Wärmetransport über den thermischen Widerstand 314 hinweg erfolgt in diesem Fall im Wesentlichen in Form von Wärmestrahlung sowie über Konvektion des sich innerhalb des thermischen Widerstandes 314 befindlichen Gases. Da dieses Gas permanent ausgetauscht wird, lässt sich der Anteil des Wärmetransportes, welcher mittels Wärmestrahlung und der Anteil, welcher mittels Konvektion, des sich in der Kammer 314 befindlichen Gases, stattfindet, durch die Austauschrate des Gases bestimmen. Der Dimensionierung der Zu- und Ablassöffnungen des Kanals 314 kommt daher bei der Einstellung des thermischen Widerstandes 314 besondere Bedeutung zu. Erfolgt lediglich ein geringer Austausch des sich innerhalb der Kammer 314 befindlichen Gases, so wird der thermische Widerstand der Kammer 314 geringer ausfallen als in dem Fall, in dem das Gas einen schnellen Austausch erfährt. Gegebenenfalls lässt sich sogar auf eine Gasströmung verzichten, so dass man eine Vakuumkammer als ein den thermischen Widerstand bildendes Bauteil vorsehen kann.The heat transfer via the thermal resistance 314 In this case, this takes place essentially in the form of thermal radiation and via convection within the thermal resistance 314 located gas. Since this gas is permanently exchanged, the proportion of heat transport, which by means of heat radiation and the proportion, which by means of convection, can be in the chamber 314 located gas, determined by the exchange rate of the gas. The dimensioning of the inlet and outlet openings of the channel 314 therefore comes in the setting of the thermal resistance 314 special importance. There is only a slight replacement of the inside of the chamber 314 gas, the thermal resistance of the chamber 314 lower than in the case where the gas undergoes a rapid exchange. Optionally, it is even possible to dispense with a gas flow, so that it is possible to provide a vacuum chamber as a component forming the thermal resistance.

4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Wärmesenke 311 an das Kühlsystem 341 einer Verbrennungsmaschine 331 angeschlossen ist. Die Wärmesenke 311 kann mit dem Kühlwasser, das innerhalb des Kühlsystems 341 der Verbrennungsmaschine 331 zirkuliert, verbunden sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Wärmesenke 331 ebenfalls mit einem Ölkühler der Verbrennungsmaschine 331 thermisch verbunden sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann in das Kühlsystem zusätzlich eine durch einen Luftzug zu kühlende Fläche 342 integriert sein. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Kühlkreislauf 341 die mittels eines Luftzugs zu kühlende Fläche 342 und die Wärmesenke 311 miteinander verbinden. 4 shows a further embodiment of the thermoelectric device, wherein the heat sink 311 to the cooling system 341 an internal combustion engine 331 connected. The heat sink 311 can with the cooling water that is inside the cooling system 341 the combustion engine 331 circulates, be connected. According to a further embodiment, the heat sink 331 also with an oil cooler of the combustion engine 331 be thermally connected. According to a further embodiment, in the cooling system in addition to be cooled by a draft surface 342 be integrated. According to a further embodiment, the cooling circuit 341 the area to be cooled by means of a draft 342 and the heat sink 311 connect with each other.

Bei den vorstehend geschilderten Ausführungsformen von thermoelektrischen Einrichtungen nach der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass sie jeweils nur ein Bauteil aufweisen, das einen speziellen Wärmewiderstand bildet. Selbstverständlich kann das entsprechende Bauteil auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Dabei ist es gegebenenfalls auch möglich, verschiedene Typen zur Erzeugung eines thermischen Widerstandes wie z.B. ein Sinterkeramik-Teil mit einer mit Gas befüllbaren Kammer miteinander zu kombinieren.at the above-described embodiments of thermoelectric Devices according to the invention were assumed to be each have only one component, which has a special thermal resistance forms. Of course you can the corresponding component also composed of several parts be. It is possibly also possible to use different types for Generation of a thermal resistance, e.g. a sintered ceramic part with a gas-fillable chamber to combine with each other.

Claims (11)

Thermoelektrische Einrichtung a) mit einen thermoelektrischen Generator (312), welcher auf einer ersten Seite mit einer Wärmequelle (316) und auf einer zweiten Seite mit einer Wärmesenke (311) thermisch verbunden ist, und b) mit einem thermischen Widerstand, • der mindestens ein, sich gegenüberliegende Flächen aufweisendes flaches Bauteil (314) aufweist, • dessen Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators (312) angepasst sind, • das großflächig an seinen sich gegenüberliegenden Flächen thermisch mit der Wärmequelle (316) bzw. dem thermoelektrischen Generator (312) verbunden ist, wobei der thermische Widerstand des Bauteils (314) derart gewählt ist, dass die maximale Temperatur der Wärmequelle (316) auf eine Temperatur reduziert wird, welche unterhalb einer kritischen Temperatur (321) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (312) dauerhaft Schaden nimmt.Thermoelectric device a) with a thermoelectric generator ( 312 ), which on a first side with a heat source ( 316 ) and on a second side with a heat sink ( 311 ) is thermally connected, and b) with a thermal resistance, • the at least one, the opposite surfaces having flat component ( 314 ), whose dimensions correspond to those of the thermoelectric generator ( 312 ) are extensively thermally connected to the heat source on its opposite surfaces ( 316 ) or the thermoelectric generator ( 312 ), wherein the thermal resistance of the component ( 314 ) is selected such that the maximum temperature of the heat source ( 316 ) is reduced to a temperature which is below a critical temperature ( 321 ) above which the thermoelectric generator ( 312 ) permanently damages. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Bauteil (314) eine Keramik, vorzugsweise eine Sinterkeramik umfasst.Thermoelectric device according to claim 1, characterized in that the flat component ( 314 ) comprises a ceramic, preferably a sintered ceramic. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Bauteil (314) eine mit einer Flüssigkeit gefüllte, vorzugsweise eine mit einem Öl gefüllte, Kammer umfasst.Thermoelectric device according to claim 1, characterized in that the flat component ( 314 ) comprises a liquid filled, preferably an oil filled, chamber. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Bauteil (314) eine mit einem Gas, vorzugsweise mit Luft, befüllbare Kammer umfasst.Thermoelectric device according to claim 1, characterized in that the flat component ( 314 ) comprises a gas-filled, preferably with air, fillable chamber. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Bauteil (314) eine Vakuumkammer umfasst.Thermoelectric device according to claim 1, characterized in that the flat component ( 314 ) comprises a vacuum chamber. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flache Bauteil (314) einen durchströmbaren, vorzugsweise mit Luft durchströmbaren Kanal umfasst.Thermoelectric device according to claim 1, characterized in that the flat component ( 314 ) comprises a flow-through, preferably through-airable channel. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (316) zumindest mit Teilen eines Abgassystems (332) einer Verbrennungsmaschine (331) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Abgassystems (332) gebildet ist.Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat source ( 316 ) at least with parts of an exhaust system ( 332 ) of an internal combustion engine ( 331 ) is thermally connected or through at least parts of the exhaust system ( 332 ) is formed. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (311) zumindest mit Teilen des Kühlsystems (341) einer Verbrennungsmaschine (331) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Kühlsystems (341) gebildet ist.Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink ( 311 ) at least with parts of the cooling system ( 341 ) of an internal combustion engine ( 331 ) is thermally connected or through at least parts of the cooling system ( 341 ) is formed. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (341) mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche (342) thermisch verbunden ist.Thermoelectric device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink ( 341 ) with a surface to be cooled by a draft ( 342 ) is thermally connected. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsmaschine (331) Teil eines Kraftfahrzeugs ist.Thermoelectric device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the internal combustion engine ( 331 ) Is part of a motor vehicle. Verwendung einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmaschine (331).Use of a thermoelectric device according to one of the preceding claims in a motor vehicle having an internal combustion engine ( 331 ).
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