DE102007035931A1

DE102007035931A1 - Anordnung für einen thermoelektrischen Generator

Info

Publication number: DE102007035931A1
Application number: DE102007035931A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr. Richter; Gunter Schröter; Alois Dr. Hiebl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-05

Abstract

Anordnung für einen thermoelektrischen Generator (1), insbesondere zur Wandlung einer Brennkraftmaschinenabwärme in elektrischen Strom, bestehend aus einer hochtemperaturseitigen Grundplatte (2) und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte (3), mit einer zwischen den Grundplatten (2, 3) angeordneten Halbleitermatrix (4), wobei die niedertemperaturseitige und die hochtemperaturseitige Grundplatte (2, 3) eine im wesentlichen zweidimensionale Abmessung aufweisen und wobei die hochtemperaturseitige Grundplatte mit einer heißen Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (3) mit einer kalten Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und wobei die hochtemperaturseitige und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (2, 3) zumindest einer Dimension um mindestens 3 mm länger als die Halbleitermatrix (4) ist. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der thermoelektrische Generator ohne thermische Überhitzung stoffschlüssig auf einer Oberfläche angeordnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für einen thermoelektrischen Generator mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Sie geht von der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 06 048 A1 aus. In dieser ist ein System zum Liefern von elektrischer Leistung beschrieben für Fahrzeuge mit einer Motorabtriebswellen-Stromgeneratoreinrichtung und einer Motorabgas-Stromgeneratoreinrichtung, die elektrische Leistung unter Nutzung von kinetischer Energie und von Motorabgasenergie erzeugen. Das System umfasst einen Akkumulator, eine Antriebszustandsbeurteilungseinrichtung, die den Antriebszustand des Fahrzeuges ermittelt, eine Elektrizitätsspeicherzustandsbeurteilungseinrichtung, die den Elektrizitätsspeicherzustand des Akkumulators beurteilt und eine Einrichtung zur Steuerung der elektrischen Leistung, die die Lieferung der im Fahrzeug erforderlichen elektrischen Leistung steuert. Unter der Steuerung der Steuereinrichtung werden die von der Motorabtriebswellen-Stromgeneratoreinrichtung erzeugte elektrische Leistung und die von der Motorabgas-Stromgeneratoreinrichtung erzeugte elektrische Leistung in Übereinstimmung mit Informationen gesteuert, die von der Antriebszustandsbeurteilungseinrichtung und von der Elektrizitätsspeicherzustandsbeurteilungseinrichtung erhalten werden. Dadurch kann vom Motor abgegebene Energie in Abhängigkeit vom Betriebszustand des Fahrzeuges wiedergewonnen werden, wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Die Motorabgasstromgeneratoreinrichtung umfasst thermoelektrische Generatoren, bestehend aus einer hochtemperaturseitigen Grundplatte und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte, zwischen denen eine Halbleitermatrix sowie Stromdrähte angeordnet sind. Derartige thermoelektrische Generatoren können außer in Plattenbauweise auch zylindrisch oder kastenförmig ausgeführt sein.
Problematisch bei derartigen gattungsgemäßen thermoelektrischen Generatoren ist jedoch deren Anbindung an heiße Oberflächen, da beispielsweise bei einer Verschweißung eine Überhitzung der Halbleitermatrix stattfinden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung für einen thermoelektrischen Generator aufzuzeigen, bei dem die Gefahr einer Überhitzung der Halbleitermatrix während der Befestigung an einer heißen Oberfläche verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.
Im Idealfall ist die hochtemperaturseitige Grundplatte bzw. die niedertemperaturseitige Grundplatte aus dem gleichen Material wie die heiße Oberfläche oder die kalte Oberfläche. Durch den Abstand der Halbleitermatrix zu der entfernten Verbindungsstelle wird die Halbleitermatrix bei der stofflichen Verbindung vor Überhitzung (Zerstörung) verschont.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 2 wird der thermoelektrische Generator isoliert von einem zu heißen Bauteil positioniert, wodurch auch in diesem Fall eine Überhitzung des thermoelektrischen Generators bzw. der Halbleitermatrix verhindert ist.
Durch die Maßnahme gemäß Patentanspruch 3 wird der Wärmefluss von der Verbindungsstelle zur Halbleitermatrix nochmals verringert, was ebenfalls einer thermischen Zerstörung der Halbleitermatrix entgegenwirkt.
Durch die Ausgestaltung gemäß Patentanspruch 4 ist sichergestellt, dass bei einer unebenen Oberfläche bzw. heißen Oberfläche diese Unebenheit durch die komplementäre Oberfläche ausgeglichen wird, wodurch der Wärmeübergang und somit der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verbessert wird.
Die stoffschlüssigen Verbindungen der Grundplatten gemäß Patentanspruch 5 sind besonders bevorzugte Verbindungen.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispieles in zwei Figuren näher erläutert.
1 zeigt die Aufsicht auf eine dreidimensional, schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anordnung für einen thermoelektrischen Generator.
2 zeigt schematisch beispielhaft eine mögliche Anordnung eines erfindungsgemäß ausgestalteten thermoelektrischen Generators an einer heißen Oberfläche.
1 zeigt die Aufsicht auf eine dreidimensional, schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anordnung für einen thermoelektrischen Generator 1. Zwischen einer hochtemperaturseitigen Grundplatte 2 und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte 3 ist eine Halbleitermatrix 4 angeordnet. Während die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 in etwa die gleichen zweidimensionalen Abmaße, in die X- und in die Y-Richtung, aufweist wie die Halb leitermatrix 4, ist erfindungsgemäß die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 in zwei Dimensionen, in X- und in Y-Richtung, 3 mm größer als die Halbleitermatrix 4. In einem einfachen Ausführungsbeispiel reicht es auch aus, die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 nur in einer Dimension, in die X- oder in die Y-Richtung, zumindest um 3 mm länger zu gestalten als die Halbleitermatrix ist. Wiederum in einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 in zumindest einer Dimension, in die X- oder die Y-Richtung, um zumindest 3 mm größer als die Halbleitermatrix 4 auszugestalten. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise auch die Kühlung des Thermoelektrischen Generators 1 verbessert werden.
Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten thermoelektrischen Generator sind üblicherweise sowohl die hochtemperaturseitige als auch die niedertemperaturseitige Grundplatte in ihrer zweidimensionalen Ausdehnung in etwa genauso groß wie die Halbleitermatrix. Wird dieser aus dem Stand der Technik bekannte thermoelektrische Generator stoffschlüssig mit einer Oberfläche verbunden, so kann es bei dieser Verbindung, beispielsweise einem Löt- oder Schweißvorgang, geschehen, dass die an den Grundplatten auftretende Temperatur beim stoffschlüssigen Verbinden so hoch wird, dass die Halbleitermatrix des thermoelektrischen Generators zerstört oder zumindest beschädigt wird.
Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 zumindest in einer Dimension, in die X- und/oder die Y-Richtung, um mindestens 3 mm länger als die Halbleitermatrix 4 auszugestalten.
Für die stoffschlüssige Verbindung wird vorzugsweise ein Löt- und/oder ein Schweißverfahren eingesetzt. Hierunter fällt beispielsweise auch Hochfrequenzschweißen.
2 zeigt schematisch die Aufsicht auf eine dreidimensional dargestellte Wärmequelle, beispielsweise einer im Querschnitt rechteckig ausgestalteten Abgasanlage. Die thermische Quelle weist hierbei eine heiße Oberfläche 5 auf, die mit einem Isoliermaterial 6 umgeben ist. Das Isoliermaterial 6 weist selbst wieder eine außen liegende Oberfläche 7 auf, die vorzugsweise aus dem gleichen Material ist wie die hochtemperaturseitige Grundplatte 2. Wenn der thermoelektrische Generator 1 aus 1 nun auf der Oberfläche 7 stoffschlüssig verbunden wird, so ist die Verbindungsstelle zwischen der hochtemperaturseitigen Grundplatte 2 mit der Oberfläche 7 so weit von der Halbleitermatrix 4 entfernt, dass nur ein geringer Wärmeeintrag in die Halbleitermatrix 4 eingebracht wird und diese nicht zerstört wird. Das Isoliermaterial 6 um die heiße Oberfläche 5 dient ebenfalls dem Schutz vor einer Überhitzung des thermoelektrischen Generators 1.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Oberfläche 7 auf dem Isoliermaterial 6 eine Ausnehmung auf, die in etwa so groß ist wie die Halbleitermatrix 4. Durch diese Maßnahme wird der Wärmeübergang von der Verbindungsstelle zur Halbleitermatrix 4 nochmals verschlechtert, wodurch der Wärmeeintrag in die Halbleitermatrix 4 nochmals reduziert wird.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die hochtemperaturseitige Grundplatte 2 eine zu der heißen Oberfläche 5 oder der Oberfläche 7 komplementäre Oberfläche auf. Durch diese Maßnahme wird erzielt, dass Oberflächenunebenheiten beim Verbindungsvorgang verhindert werden. Dies führt zum einen zu einem verbesserten Wärmeübergang beim späteren Betrieb des Thermoelektrischen Generators 1 und zur Anpassung von der Grundform des thermoelektrischen Generators 1 an die zu applizierende Oberfläche.
Vorzugsweise wird die stoffschlüssige Verbindung durch Löten und/oder Schweißen hergestellt.
Wie bereits erwähnt, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel auch die niedertemperaturseitige Grundplatte 3 größer als die Halbleitermatrix 4. Hiermit wird eine bessere Kühlung der Halbleitermatrix 4 erzielt, wodurch der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators verbessert wird. Zusammengefasst kann gesagt werden:
Der thermoelektrische Generator 1 wird auf der Heißseite mit einem Blech so ausgeführt, dass es zum Rand des thermoelektrischen Generators 1 hin herausragt. Der Werkstoff des Bleches ist idealerweise der gleiche wie der Werkstoff der Heißquelle. Dieser thermoelektrische Generator 1 wird vorzugsweise in eine Aussparung der Hitzeschutzfolie, der Oberfläche 7, eingelötet oder geschweißt. Durch den Abstand von Löt- oder Schweißstelle (Herausragung) zur Halbleitermatrix 4 wird der thermoelektrische Generator 1 bei der stofflichen Verbindung vor Überhitzung (= Zerstörung) verschont.

1: Thermoelektrischer Generator
2: hochtemperaturseitige Grundplatte
3: niedertemperaturseitige Grundplatte
4: Halbleitermatrix
5: heiße Oberfläche
6: Isoliermaterial
7: Oberfläche
8: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19806048 A1 [0002]

Claims

Anordnung für einen Thermoelektrischen Generator (1), insbesondere zur Wandlung einer Brennkraftmaschinenabwärme in elektrischen Strom, bestehend aus einer hochtemperaturseitigen Grundplatte (2) und einer niedertemperaturseitigen Grundplatte (3), mit einer zwischen den Grundplatten (2, 3) angeordneten Halbleitermatrix (4), wobei die niedertemperaturseitige und die hochtemperaturseitige Grundplatte (2, 3) eine im Wesentlichen zweidimensionale Abmessung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturseitige Grundplatte (2) mit einer heißen Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (3) mit einer kalten Oberfläche (5) stoffschlüssig verbindbar ist und wobei die hochtemperaturseitige und/oder die niedertemperaturseitige Grundplatte (2, 3) in zumindest einer Dimension um mindestens 3 mm länger als die Halbleitermatrix (4) ist.
Anordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der heißen Oberfläche (5) und dem Thermoelektrischen Generator (1) ein Isoliermaterial (6) mit einer Oberfläche (7) angeordnet ist, mit der die hochtemperaturseitige Grundplatte (2) stoffschlüssig verbindbar ist.
Anordnung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (7) eine Ausnehmung (8) aufweist mit im Wesentlichen der gleichen zweidimensionalen Abmessung wie die Halbleitermatrix (4).
Anordnung nach einem der Patentansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hochtemperaturseitige Grundplatte (2) eine zu der heißen Oberfläche (5) oder der Oberfläche (7) komplementäre Oberfläche aufweist.
Anordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung durch Löten und/oder Schweißen herstellbar ist.