DE102008040190A1 - Arrangement for fastening thermoelectric generator with heat exchanger, has heat conducting medium partially arranged between thermoelectric module and heat exchanger, for thermal contact of thermoelectric module with heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung sowie ein Verfahren zur Ausbildung einer derartigen Befestigungsanordnung, bei der ein thermoelektrisches Modul, beispielsweise für einen thermoelektrischen Generator, mit einem Wärmeübertrager, beispielsweise einem Wärmetauscher, befestigt werden kann.The The invention relates to a fastening arrangement and a method for forming such a fastening arrangement, in which a thermoelectric module, for example for a thermoelectric Generator, with a heat exchanger, for example, a heat exchanger, can be attached.
Stand der TechnikState of the art
Um ein thermoelektrisches Modul, beispielsweise für einen thermoelektrischen Generator, mit einem Wärmetauscher zu verbinden, ist es erforderlich, eine gute thermische und mechanische Verbindung zwischen den beiden Bauteilen herbeizuführen. Hierzu ist es bekannt, das thermoelektrische Modul mit einer Federkraft auf eine Fläche des Wärmetauschers zu pressen. Aufgrund nicht vermeidbarer Unebenheiten der Kontaktflächen ergibt sich ein hoher thermischer Kontaktwiderstand, der den Wärmeübergang erschwert oder sogar verhindert. Ferner ist es bekannt, das thermoelektrische Modul mit dem Wärmetauscher zu verlöten. Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Materialien des Lots, des thermoelektrischen Moduls und des Wärmetauschers kann bei hohen Temperaturunterschieden im Betrieb das Lot abplatzen, wodurch der thermische Kontakt teilweise oder vollständig verloren gehen kann oder das thermoelektrische Modul wird bis an seine Festigkeitsgrenze belastet.Around a thermoelectric module, for example for a thermoelectric Generator, with a heat exchanger To connect, it is necessary to have a good thermal and mechanical Make connection between the two components. For this it is known, the thermoelectric module with a spring force on a surface of the heat exchanger to squeeze. Due to unavoidable unevenness of the contact surfaces results There is a high thermal contact resistance, the heat transfer difficult or even prevented. Furthermore, it is known that the thermoelectric Module with the heat exchanger to solder. Due to the different thermal expansion coefficients of the materials of the solder, the thermoelectric module and the heat exchanger can chip off the solder at high temperature differences during operation, whereby the thermal contact lost partially or completely can go or the thermoelectric module is up to its strength limit loaded.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Befestigungsanordnung zur Befestigung eines thermoelektrischen Moduls mit einem Wärmeübertrager sowie einem Verfahren zur Ausbildung einer derartigen Befestigungsanordnung zu schaffen, die auch bei hohen Temperaturdifferenzen im Betrieb einen verbesserten thermischen Kontakt ermöglicht.It The object of the invention is a fastening arrangement for fastening a thermoelectric module with a heat exchanger and a method to provide for the formation of such a fastening arrangement, which improved even at high temperature differences during operation thermal contact allows.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Befestigungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ausbildung einer Befestigungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.The The object is achieved by a fastening arrangement with the features of claim 1 and a method for forming a fastening arrangement with the Features of claim 12. Preferred embodiments of the invention are in the subclaims specified.
Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung zum Befestigen eines thermoelektrischen Moduls, beispielsweise als Bauteil eines thermoelektrischen Generators, mit einem Wärmeübertrager, beispielsweise einem Wärmetauscher, weist einen Wärmeübertrager zur Aufnahme und/oder Abgabe von Wärme auf. Ferner ist ein thermoelektrisches Modul vorgesehen. Erfindungsgemäß sind das thermoelektrische Modul und der Wärmeübertrager mit einem Hüllprofil verbunden. Das Hüllprofil bildet zusammen mit dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager einen Hohlraum aus. Der Hohlraum ist teilweise mit einem im Betrieb formveränderlichen Leitmedium zur Wärmeleitung gefüllt. Das Leitmedium ist zur thermischen Kontaktierung des thermoelektrischen Moduls mit dem Wärmeübertrager zumindest teilweise zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager angeordnet.The inventive mounting arrangement for fixing a thermoelectric module, for example as Component of a thermoelectric generator, with a heat exchanger, for example, a heat exchanger, has a heat exchanger for receiving and / or releasing heat. Further, a thermoelectric Module provided. According to the invention thermoelectric module and the heat exchanger with an enveloping profile connected. The envelope profile forms together with the thermoelectric module and the heat exchanger a cavity out. The cavity is partially in operation with one shape-changing conductive medium for heat conduction filled. The conductive medium is for thermal contacting of the thermoelectric Module with the heat exchanger at least partially between the thermoelectric module and the Heat exchanger arranged.
Da das Leitmedium im Betrieb, das heißt, wenn der Wärmeübertrager eine seiner Betriebstemperaturen aufweist, formveränderlich ist, kann das Leitmedium durch Wärmedehnung verursachte Veränderungen ausgleichen. Das thermoelektrische Modul ist hierzu insbesondere in Schwerkraftrichtung oberhalb zum Wärmeübertrager angeordnet. Wenn sich beispielsweise im Betrieb der Abstand des thermoelektrischen Moduls zu dem Wärmeübertrager aufgrund von Wärmedehnung verändert, kann zum Ausgleich der Abstandsveränderung das Leitmedium aus dem Spalt zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager herausgedrückt werden und/oder in den Spalt hinein fließen. Dies ermöglicht unabhängig von der aktuellen Temperatur einen guten thermischen Kontakt des thermoelektrischen Moduls mit dem Wärmeübertrager. Der thermische Kontakt ist insbesondere unabhängig von der aktuellen Temperatur des Wärmeübertragers. Unebenheiten des thermoelektrischen Moduls und des Wärmeübertragers können durch das formveränderliche Leitmedium automatisch ausgeglichen werden. Da eine feste Verbindung des Leitmediums mit dem thermoelektrischen Modul oder mit dem Wärmeübertrager nicht erforderlich ist, kann das Leitmedium nicht abplatzen, so dass auch große Temperaturunterschiede ΔT beispielsweise 400°C ≤ ΔT ≤ 800°C nicht zu einer Beeinträchtigung der Wärmeleitung führen. Durch das Hüllprofil wird verhindert, dass das formveränderliche Leitmedium von dem thermoelektrischen Modul wegfließen kann. Ferner kann durch das Hüllprofil eine Abdichtung, insbesondere eine hermetische Abdichtung, erreicht werden, so dass das Leitmedium nicht in Kontakt mit der Umgebung gelangen kann. Dies ermöglicht es, das Leitmedium aus einer Vielzahl geeigneter Stoffe auszuwählen, da prinzipiell auch giftige und/oder umweltgefährdende Stoffe verwendet werden könnten. Vorzugsweise ist das Leitmedium im formveränderlichen Zustand im Wesentlichen pastös und/oder flüssig und/oder gallertartig.There the conductive medium in operation, that is, when the heat exchanger has one of its operating temperatures, form variable is, the conductive medium may be due to thermal expansion caused changes compensate. The thermoelectric module is in particular for this purpose arranged in the direction of gravity above the heat exchanger. If for example, in operation, the distance of the thermoelectric module due to the heat exchanger of thermal expansion changed can to compensate for the change in distance from the leading medium the gap between the thermoelectric module and the heat exchanger be pushed out and / or flow into the gap. This allows independent of the current temperature a good thermal contact of the thermoelectric Module with the heat exchanger. The thermal contact is in particular independent of the current temperature of the heat exchanger. Unevenness of the thermoelectric module and the heat exchanger can through the shape changeable Guide medium automatically be compensated. Because a solid connection the conductive medium with the thermoelectric module or with the heat exchanger is not required, the guide medium can not peel off, so that too big Temperature differences ΔT For example, 400 ° C ≤ ΔT ≤ 800 ° C not too an impairment lead the heat conduction. By the envelope profile prevents the form-changing conductive medium of the thermoelectric module can flow away. Furthermore, by the envelope profile a seal, in particular a hermetic seal achieved so that the conducting medium does not come into contact with the environment can. this makes possible it to select the guide medium from a variety of suitable substances, since in principle also toxic and / or environmentally hazardous substances could be used. Preferably, the conductive medium in the form variable state is substantially pasty and / or liquid and / or gelatinous.
Insbesondere ist das Leitmedium zumindest bis 200°C, insbesondere bis 150°C, vorzugsweise bis 100°C und besonders bevorzugt bis 50°C im Wesentlichen fest. Dies erleichtert den Transport des Leitmediums vor der Verwendung zur Ausbildung der Befestigungsanordnung und ermöglicht eine zusätzliche Befestigung des thermoelektrischen Moduls mit dem Wärmeübertrager. Das Leitmedium kann ab 500°C, insbesondere ab 400°C, vorzugsweise ab 300°C und besonders bevorzugt ab 200°C im Wesentlichen formveränderlich sein. Bei derartigen Temperaturen stellt sich im Vergleich zur Normaltemperatur bei einem Wärmeübertrager und einem thermoelektrischen Modul eine hinreichend große Wärmedehnung ein, die durch das formveränderliche Leitmedium ausgeglichen werden kann.In particular, the conductive medium is substantially solid at least up to 200.degree. C., in particular up to 150.degree. C., preferably up to 100.degree. C. and particularly preferably up to 50.degree. This facilitates the transport of the conductive medium prior to use to form the mounting assembly and allows additional attachment of the thermoelectric module to the heat exchanger. The conductive medium can drain off 500 ° C, in particular from 400 ° C, preferably from 300 ° C and more preferably from 200 ° C be substantially dimensionally variable. At such temperatures, a sufficiently large thermal expansion sets in compared to the normal temperature in a heat exchanger and a thermoelectric module, which can be compensated by the shape-changing conductive medium.
Besonders bevorzugt weist das Leitmedium eine Wärmeleitfähigkeit auf, die größer als die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeübertragers und/oder des thermoelektrischen Moduls ist. Dadurch kann der thermische Widerstand reduziert werden. Ferner kann eine Veränderung des Wärmeleitwiderstands aufgrund einer sich veränderlichen Schichtdicke des Leitmediums vernachlässigt werden.Especially Preferably, the conductive medium has a thermal conductivity greater than the thermal conductivity of the heat exchanger and / or the thermoelectric module. This allows the thermal Resistance can be reduced. Furthermore, a change the thermal conductivity due a mutable Layer thickness of the conductive medium are neglected.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Leitmedium im Wesentlichen metallisch. Das Leitmedium kann insbesondere ein flüssiges Metall sein, wobei es ausreichend ist, wenn das Leitmedium erst bei Temperaturen flüssig wird, bei denen ein Wärmedehnungsausgleich durch das Leitmedium erforderlich ist, beispielsweise ab 200°C. Das Leitmedium besteht insbesondere aus einem Reinstoff oder vorzugsweise einer Legierung, deren Hauptkomponente, die den größten Gewichtsanteil aufweist, ausgewählt ist aus der Gruppe umfassende Wismuth, Indium, Gallium, Zinn und/oder Blei. Insbesondere ist es möglich, durch die Zugabe weiterer Legierungselemente beispielsweise Silber, Kupfer, Antimon und/oder Zink die Eigenschaften des Leitmediums zu beeinflussen, um beispielsweise eine Erniedrigung des Schmelzpunktes zu erreichen. Beispielsweise können Additive und/oder Zusatzstoffe vorgesehen sein, die ein Halbmetall, Nichtmetall oder Oxid sein können.In a particularly preferred embodiment the conductive medium is essentially metallic. The conductive medium can especially a liquid Be metal, it is sufficient if the conductive medium only liquid at temperatures is where a thermal expansion compensation is required by the conductive medium, for example from 200 ° C. The main medium consists in particular of a pure substance or preferably one Alloy whose main component, which has the largest proportion by weight, selected is from the group comprising bismuth, indium, gallium, tin and / or Lead. In particular, it is possible by the addition of further alloying elements, for example silver, Copper, antimony and / or zinc the properties of the conductive medium to influence, for example, a lowering of the melting point to reach. For example, you can Additives and / or additives may be provided which are a semi-metal, Can be non-metal or oxide.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Hüllprofil zur Variation des Abstands des thermoelektrischen Moduls zum Wärmeübertrager höhenveränderbar. Das Hüllprofil kann dadurch einer veränderten Geometrie aufgrund von Wärmedehnungen folgen. Das Hüllprofil ist hierzu im Querschnitt beispielsweise gewellt ausgeführt, so dass das Hüllprofil gestaucht oder gestreckt werden kann.In a preferred embodiment is the envelope profile for varying the distance of the thermoelectric module to the heat exchanger height-adjustable. The envelope profile This can change one Geometry due to thermal expansion to follow. The envelope profile is this example in cross-section, wavy running, so that the envelope profile is compressed or stretched.
Besonders bevorzugt weist das Hüllprofil im Querschnitt eine insbesondere umlaufende Aufnahmekammer auf, mit dessen Hilfe teilweise das durch Wärmedehnung volumenvergrößerte Leitmedium aufgenommen werden kann. Die Aufnahmekammer ist insbesondere bei Normaltemperatur geleert, das heißt, das Leitmedium befindet sich nicht in der Aufnahmekammer. Wenn bei höheren Temperaturen das Leitmedium formveränderlich wird und aufgrund von Wärmedehnung sein Volumen vergrößert, kann das Leitmedium teilweise in die Aufnahmekammer ausweichen. Dadurch können die auf das Hüllprofil wirkenden Kräfte deutlich reduziert werden. Gleichzeitig ist es möglich, dass das Leitmedium in dem Fall, dass sich das thermoelektrische Modul auf dem Wärmeübertrager zu bewegt, in die Aufnahmekammer ausweichen kann.Especially Preferably, the envelope profile in cross-section a particular circumferential receiving chamber, partially absorbed by the heat expansion volume enlarged guide medium can be. The receiving chamber is especially at normal temperature emptied, that is, the conductive medium is not in the receiving chamber. If at higher Temperatures, the guide medium is changeable and due to thermal expansion its volume increases, that can Partially dodge guide medium into the receiving chamber. This allows the acting on the envelope profile personnel be significantly reduced. At the same time it is possible that the conductive medium in the case that the thermoelectric module on the heat exchanger too moved, can dodge into the receiving chamber.
Vorzugsweise ist das Hüllprofil umlaufend mit dem thermoelektrischen Modul und/oder umlaufend mit dem Wärmeübertrager insbesondere stoffschlüssig verbunden. Durch die umlaufende Verbindung, ist der Hohlraum gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird eine besonders stabile Verbindung geschaffen, die auch bei hohen Temperaturen nicht aufbrechen kann.Preferably is the envelope profile circulating with the thermoelectric module and / or revolving with the heat exchanger in particular cohesively connected. Due to the circumferential connection, the cavity is opposite to the Environment completed. The cohesive connection becomes a created a particularly stable connection, even at high temperatures can not break up.
Besonders bevorzugt ist die Menge des Leitmediums derart gewählt, dass unter Berücksichtigung aller im Betrieb auftretender Wärmedehnungen die gesamten aufeinander zugerichteten und einander überdeckenden Oberflächen des thermoelektrischen Moduls und des Wärmeübertragers von dem Leitmedium kontaktiert werden. Über die Menge des Leitmediums kann gewährleistet werden, dass immer ein vollständiger thermischer Kontakt der aufeinander zugerichteten Kontaktflächen des thermoelektrischen Moduls und des Wärmeübertragers gegeben ist.Especially Preferably, the amount of the conducting medium is chosen such that considering all occurring during operation thermal expansion the entire surfaces facing each other and overlapping each other thermoelectric module and the heat exchanger of the conductive medium be contacted. about the amount of the conducting medium can be guaranteed to always be one complete thermal contact of the successive contact surfaces of the thermoelectric module and the heat exchanger is given.
Insbesondere weist das Hüllprofil und/oder das thermoelektrische Modul und/oder der Wärmeübertrager eine zum Hohlraum weisende Schutzschicht auf, die insbesondere aus Materialien mit einer hohen Beständigkeit gegenüber flüssigen Metallen besteht. Durch die Schutzschicht wird insbesondere ein Korrosionsschutz vor dem Leitmedium bereitgestellt. Das Hüllprofil, das thermoelektrische Modul und der Wärmeübertrager können dadurch vor Korrosionen geschützt werden, die ggf. von dem Leitmedium insbesondere bei hohen Temperaturen verursacht werden.Especially has the envelope profile and / or the thermoelectric module and / or the heat exchanger a cavity facing the protective layer, in particular from Materials with a high resistance across from liquid Consists of metals. The protective layer is in particular a Corrosion protection provided before the conductive medium. The envelope profile, The thermoelectric module and the heat exchanger can thereby prevent corrosion protected be, if necessary, of the conductive medium, especially at high temperatures caused.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ausbildung einer Befestigungsanordnung, die insbesondere, wie vorstehend beschrieben, aus- und weitergebildet sein kann. Das Verfahren ist insbesondere, wie vorstehend anhand der Befestigungsanordnung beschrieben, aus- und weitergebildet. Bei dem Verfahren wird ein Wärmeübertrager zur Aufnahme und/oder Abgabe von Wärme bereitgestellt. Ein Hüllprofil wird zur Ausbildung eines Hohlraums mit dem Wärmeübertrager verbunden. Der Hohlraum wird teilweise mit einem Leitmedium zur thermischen Kontaktierung gefüllt, wobei das Leitmedium im Betrieb formveränderlich ist. Ein thermoelektrisches Modul beispielsweise zur Erzeugung von elektrischen Strom wird zumindest teilweise im Hohlraum eingesetzt, wobei zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager zumindest teilweise das Leitmedium angeordnet ist. Das thermoelektrische Modul wird mit dem Hüllprofil verbunden.The invention further relates to a method for forming a fastening arrangement, which in particular, as described above, and can be further developed. The method is in particular, as described above with reference to the mounting arrangement, and further developed. The method provides a heat exchanger for receiving and / or releasing heat. An envelope profile is connected to form a cavity with the heat exchanger. The cavity is partially filled with a conductive medium for thermal contacting, wherein the conductive medium is deformable in operation. A thermoelectric module, for example, for generating electrical current is used at least partially in the cavity, wherein between the thermoelectric module and the heat exchanger at least partially the conductive medium is arranged. The thermoelectric The module is connected to the envelope profile.
Da das thermoelektrische Modul nicht direkt mit dem Wärmeübertrager verbunden wird, sondern indirekt über das Hüllprofil, kann eine Wärmedehnung zugelassen werden, wobei zur thermischen Kontaktierung der Spalt zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager mit dem formveränderlichen Leitmedium gefüllt wird. Dadurch wird auch bei großen Temperaturdifferenzen im Betrieb ein Einfluss der Wärmedehnung auf den thermischen Kontakt zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager vermieden.There the thermoelectric module not directly to the heat exchanger is connected, but indirectly via the Hüllprofil, can be a thermal expansion be admitted, wherein for thermal contacting of the gap between the thermoelectric module and the heat exchanger with the form variable Lead medium filled becomes. This will also be great Temperature differences during operation an influence of thermal expansion on the thermal contact between the thermoelectric module and the heat exchanger avoided.
Vorzugsweise wird bei dem Verfahren das Leitmedium in fester Phase, insbesondere als Folie, Granulat und/oder Pulver in den Hohlraum gefüllt. Dies erleichtert den Umgang mit dem Leitmedium beim Befüllen des Hohlraums.Preferably In the process, the conductive medium is in solid phase, in particular as a foil, granules and / or powder filled in the cavity. This facilitates the handling of the conductive medium when filling the Cavity.
Besonders bevorzugt wird das Leitmedium bei der Ausbildung der Befestigungsanordnung in einen formveränderlichen Zustand gebracht, wobei das Leitmedium beispielsweise geschmolzen wird. Dies erfolgt insbesondere vor der Verbindung des thermoelektrischen Moduls mit dem Hüllprofil. Dadurch, dass das Leitmedium in seinen formveränderlichen Zustand gebracht wird, kann bereits bei der Ausbildung der Befestigungsanordnung ein optimaler thermischer Kontakt zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmeübertrager bereitgestellt werden. Dies erleichtert die Inbetriebnahme der Befestigungsanordnung, da beim erstmaligen Gebrauch keine Besonderheiten berücksichtigt werden müssen.Especially preferred is the conductive medium in the formation of the mounting arrangement into a changeable form Condition brought, wherein the conductive medium, for example, melted becomes. This is done in particular before the connection of the thermoelectric Module with the envelope profile. The fact that the conductive medium brought into its shape changeable state is already possible in the formation of the mounting arrangement an optimal thermal contact between the thermoelectric Module and the heat exchanger to be provided. This facilitates the commissioning of the fastening arrangement, because the first time use no special features considered Need to become.
kurze Beschreibung der Zeichnungenshort description of the drawings
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.following the invention will be with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment explained in more detail.
Es zeigen:It demonstrate:
detaillierte Beschreibung der Zeichnungendetailed description of the drawings
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2009
- 2009-07-03 CN CN200910151887.3A patent/CN101621267B/en not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102011007395A1 (en) * | 2011-04-14 | 2012-10-18 | Behr Gmbh & Co. Kg | Thermoelectric module for use in thermoelectric generator, for producing electrical energy, has device for generating electrical energy from heat, where contact surface of device is in thermal or electrical contact with connector |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101621267A (en) | 2010-01-06 |
| CN101621267B (en) | 2014-03-05 |
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