DE102009058550A1

DE102009058550A1 - Thermoelektrisches Modul, Baugruppe mit Modul, thermoelektrische Generatoreinheit und Abgasleitungsvorrichtung mit Generatoreinheit

Info

Publication number: DE102009058550A1
Application number: DE102009058550A
Authority: DE
Inventors: Martin Adldinger; Wolfgang Dr. Hahnl; Marco Ranalli; Christian Vitek; Robin Columbus Willats
Original assignee: Emcon Technologies Germany Augsburg GmbH
Current assignee: Faurecia Emissions Control Technologies Germany GmbH
Priority date: 2009-07-21
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-01-27
Also published as: US20120297755A1

Abstract

Ein thermoelektrisches Modul (10) hat mehrere in Reihe geschaltete thermoelektrische Elemente, die zwischen einer eine Hochtemperaturseite definierenden ersten Modulgehäuseplatte und einer eine Niedertemperaturseite definierenden zweiten Modulgehäuseplatte angeordnet sind, wobei seitlich neben den thermoelektrischen Elementen und zu den Stirnseiten der Modulgehäuseplatten hin wenigstens ein elastisches Ausgleichselement vorgesehen ist, die eine seitliche Haltekraft auf die thermoelektrischen Elemente ausübt und sich von einer zur anderen Innenseite der gegenüberliegenden Modulgehäuseplatte erstreckt. Ein solches thermoelektrisches Modul (10) ist in einer thermoelektrischen Generatoreinheit (100) enthalten, mit einem Generatorgehäuse (102), in dem wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (20), sowie wenigstens ein thermoelektrisches Modul (10) untergebracht sind, wobei das Generatorgehäuse (102) über das elastische Ausgleichselement (20) eine Vorspannung auf das thermoelektrische Modul (10) ausübt.

Description

Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, insbesondere für eine thermoelektrische Generatoreinheit, die u. a. in einer Abgasleitungsvorrichtung, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, eingesetzt werden kann.
Thermoelektrische Module sind Vorrichtungen, die Wärmeenergie in elektrische Energie umsetzen. Sie beinhalten nach dem Seebeck-Effekt bzw. nach dem Peltier-Effekt arbeitende thermoelektrische Elemente, in denen aufgrund der verwendeten spezifischen Materialpaarung unterschiedlicher Metalle bzw. unterschiedlicher Halbleitermaterialien sowie der über das thermoelektrische Element herrschenden Temperaturdifferenz eine elektrische Spannung erzeugt wird. Auf diese Weise ist es möglich, beispielsweise die Wärmeenergie des Abgasstroms auszunutzen, um elektrische Energie zu erzeugen.
Die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Komponenten eines thermoelektrischen Moduls müssen kompensiert werden, ebenso wie eine gleichmäßige, ausreichende, aber nicht übermäßige Anpresskraft zwischen den einzelnen Komponenten sichergestellt sein muss, um eine optimale Wärmeübertragung vom heißen Abgas auf die thermoelektrischen Elemente zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige Lösung für den Aufbau eines thermoelektrischen Moduls vorzuschlagen.
Dies wird bei einem thermoelektrischen Modul mit mehreren in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen erreicht, die zwischen einer eine Hochtemperaturseite definierenden Modulgehäuseplatte und einer eine Niedertemperaturseite definierenden Modulgehäuseplatte angeordnet sind, wobei seitlich neben den thermoelektrischen Elementen und zu den Stirnseiten der Modulgehäuseplatten hin wenigstens ein elastisches Ausgleichselement, insbesondere eine Matte, vorgesehen ist, die eine seitliche Haltekraft auf die thermoelektrischen Elemente ausübt und sich von einer zur anderen Innenseite der gegenüberliegenden Modulgehäuseplatten erstreckt.
Das elastische Ausgleichselement ist bevorzugt aus einem großflächigen, dünnen Teil, insbesondere einer Matte, wie etwa einer bekannten Lagermatte gefertigt, wie sie beim Einbau von Katalysatorsubstraten eingesetzt wird, oder eine Fasermatte aus einem geeigneten Material. Die Fasermatte kann beispielsweise ein Vlies sein, ein Gestrick, ein Gewirk, aber auch ein Gewebe, etwa aus einem Stahldraht.
Die Gruppe der nebeneinander angeordneten thermoelektrischen Elemente ist zwischen den seitlich angeordneten elastischen Ausgleichselementen aufgenommen. Diese liefern zum einen die Vorspannung, die die Einheit aus thermoelektrischen Elementen und eventuell dazwischenliegenden Wärmeleitelementen in engem Wärmekontakt hält, bieten aber zum anderen genügende Flexibilität, um unterschiedliche thermische Ausdehnungen auszugleichen. Die Haltekraft, die die Ausgleichselemente ausüben, ist dabei parallel zu den Modulgehäuseplatten gerichtet. Auf diese Weise lässt sich mit geringem Materialaufwand ein kompaktes thermoelektrisches Modul schaffen, das eine hohe Lebenserwartung hat.
Vorzugsweise sind die Modulgehäuseplatten Teil eines Modulgehäuses, das die thermoelektrischen Elemente und das elastische Ausgleichselement vollständig umschließt. Damit lässt sich ein vollständig gekapseltes Modul schaffen, bei dem Beschädigung und Verschmutzung der thermoelektrischen Elemente verhindert sind. Es müssen lediglich die elektrischen Anschlusskabel aus dem Modulgehäuse herausgeführt werden.
Als thermoelektrische Elemente können vorteilhaft plattenförmige Elemente eingesetzt werden, die sich z. B. im Wesentlichen mit ihrer Flachseite rechtwinklig zu den Modulgehäuseplatten erstrecken. Die Temperaturdifferenz kann dabei senkrecht zu den Modulgehäuseplatten verlaufen oder aber, bei Verwendung geeigneter Wärmeleitelemente, parallel dazu. Die Wärmeleitelemente transportieren die Wärme von den Modulgehäuseplatten zu den senkrecht hierzu verlaufenden Flachseiten der Elemente.
Soll die Temperaturdifferenz senkrecht zu den Modulgehäuseplatten verlaufen, sind die thermoelektrischen Elemente vorzugsweise so angeordnet, dass die Stirnseiten benachbarter p- und n-leitender Elemente über eine elektrisch und thermisch leitende Brücke verbunden sind, die in Kontakt mit der Innenseite der Modulgehäuseplatten ist. Zwischen den einzelnen thermoelektrischen Elementen sind dann vorzugsweise elektrisch isolierende Füllkörper vorgesehen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Baugruppe aus einem thermoelektrischen Modul und einem Wärmetauscherelement.
Eine gute Wärmeübertragung zwischen dem heißen/kalten Medium und der Hoch- bzw. Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls ist essenziell, um die Wärmeenergie des Mediums optimal auszunutzen.
Aufgabe der Erfindung ist es auch, in diesem Punkt eine Verbesserung vorzuschlagen.
Hierzu ist bei einer Baugruppe aus einem thermoelektrischen Modul mit einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite und aus wenigstens einem auf der Hochtemperaturseite und/oder der Niedertemperaturseite des thermischen Moduls angeordneten Wärmetauscherelement vorgesehen, dass das Wärmetauscherelement durch Kleben mit dem thermoelektrischen Modul verbunden ist. Eine Verklebung, insbesondere eine groß- oder vollflächige Verklebung, zwischen der Hochtemperatur- bzw. Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls und dem Wärmetauscherelement schafft eine sehr gut wärmeleitfähige Verbindung über die gesamte Fläche der beiden Bauteile. Zudem sorgt die Verklebung für einen sicheren Halt und macht weitere mechanische Befestigungselemente überflüssig. Dies reduziert auch die Herstellungszeit und die Kosten der Baugruppe.
Eine derartige Baugruppe kann beispielsweise bei einem oben beschriebenen thermoelektrischen Modul bzw. einem im Folgenden noch erläuterten Abgasleitungssystem eingesetzt werden, aber auch unabhängig von den hier beschriebenen Ausführungsformen allgemein in einem beliebigen Wärmetauscher, in dem ein Teil der Wärmeenergie auch in elektrische Energie umgesetzt werden soll. Die Konstruktion ist sowohl für Wärmetauscher geeignet, die mit Flüssigkeiten arbeiten, als auch für solche, die mit einem gasförmigen Medium arbeiten.
Der Kleber ist vorzugsweise ein Glas- oder Keramikkleber, wobei beispielsweise insbesondere für die Verbindung mit der Hochtemperaturseite ein Glaslot, ein Glas enthaltender Klebstoff oder ein keramischer Klebstoff auf Basis von Aluminiumoxid, Aluminiumoxinitrid oder Bornitrid eingesetzt werden. Derartige Klebstoffe gewährleisten langfristig eine sichere Verbindung auch bei hohen Temperaturen.
Der Klebstoff kann auch ein Zwei-Komponenten-Klebstoff sein, wobei ein solcher Klebstoff vorzugsweise für die Verbindung an der Niedertemperaturseite eingesetzt wird. Dabei kann beispielsweise eine Kombination aus einem silanterminierten Polymer und einem Kunstharz eingesetzt werden, wie es unter der Bezeichnung collane RS 8500 im Handel ist.
Vorzugsweise weist das Wärmetauscherelement abstehende Rippen auf, wie es von herkömmlichen Wärmetauschern her bekannt ist. Eine solche Konstruktion eignet sich sowohl für die Anordnung auf der Hochtemperaturseite als auch für die Anordnung auf der Niedertemperaturseite.
Das Wärmetauscherelement kann beispielsweise aus einer gefalteten Metallfolie bestehen. Dies erlaubt eine schnelle und kostengünstige Fertigung.
Die Metallfolie kann dabei auch die Rolle des Modulgehäuses übernehmen, so dass auf separate Modulgehäuseplatten zwischen den thermoelektrischen Elementen und dem Wärmetauscherelement verzichtet werden kann.
Die Rippen sind vorzugsweise durch Falten in der Metallfolie gebildet. Vorteilhaft sind zwischen den Rippen Flachstücke ausgebildet, die in Kontakt mit dem thermoelektrischen Modul sind. Über die Flachstücke erfolgt im Wesentlichen der Wärmeübertrag vom Wärmetauscherelement auf das thermoelektrische Modul.
In einer möglichen Ausführungsform ist der Kleber nur zwischen den Flachstücken und dem thermoelektrischen Modul vorgesehen. Die Folienabschnitte, die die Rippen bilden, sind hingegen nicht aneinander fixiert.
Der Kleber kann auch auf der gesamten Metallfolie vorgesehen sein, was den Vorteil bietet, dass zur Fertigung die Metallfolie komplett mit Kleber beschichtet werden kann, bevor die Metallfolie gefaltet und das Wärmetauscherelement am thermoelektrischen Modul befestigt wird.
Es ist auch möglich, den Kleber auf den Flachstücken nur im Bereich der elektrischen Verbindung benachbarter thermoelektrischer Elemente des thermoelektrischen Moduls, also im Bereich der Brücken, vorzusehen. Die thermoelektrischen Elemente und die dazwischen angeordneten Füllkörper haben unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, und die unterschiedlichen Längenänderungen können durch diese Anordnung ausgeglichen werden. Die Erfindung betrifft auch eine thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere zur Ankopplung an eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine. Mittels der thermoelektrischen Generatoreinheit kann aus der Wärmeenergie des Abgases elektrische Energie gewonnen werden, die beispielsweise für die elektrischen Verbraucher im Fahrzeug verwendbar ist.
Eine möglichst gute Wärmekopplung zwischen dem heißen Medium und dem in der Generatoreinheit eingesetzten thermoelektrischen Modul ist essenziell, um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen einfachen und kostengünstigen Aufbau für eine thermoelektrische Generatoreinheit vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß ist bei einer thermoelektrischen Generatoreinheit, insbesondere zur Ankopplung an eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine, ein Generatorgehäuse vorgesehen, in dem wenigstens ein elastisches Ausgleichselement, insbesondere eine Matte, sowie wenigstens ein thermoelektrisches Modul untergebracht sind, wobei das thermoelektrische Modul eine Hochtemperaturseite und eine Niedertemperaturseite aufweist und mehrere, zu einer Einheit zusammengeschlossene thermoelektrische Elemente umfasst, wobei das Generatorgehäuse über das elastische Ausgleichselement eine Vorspannung auf das thermoelektrische Modul ausübt, um dieses im Generatorgehäuse zu klemmen.
Es ist möglich, als thermoelektrisches Modul eines der oben beschriebenen thermoelektrischen Module zu verwenden. Genauso kann eine der oben beschriebenen Baugruppen in der thermoelektrischen Generatoreinheit eingesetzt werden.
Das elastische Ausgleichselement ist in der vorliegenden Anmeldung für alle Anwendungen insbesondere ein großflächiges, dünnes Bauteil und kann beispielsweise durch eine Lagermatte oder eine Fasermatte, wie sie bereits beschrieben wurden, gebildet sein.
Das elastische Ausgleichselement kann an einer Flachseite des plattenförmigen thermoelektrischen Moduls anliegen. Es bewirkt eine ausreichende Vorspannung bei unterschiedlichen Herstellungstoleranzen aller verbauten Teile und einen Kraftausgleich, sodass das thermoelektrische Modul auch bei wechselnden Temperaturen stets sicher, aber ohne eine zu große auf es einwirkende Kraft im Generatorgehäuse gehalten ist. Damit ist stets eine optimale Wärmeübertragung gewährleistet, und das thermoelektrische Modul ist vor mechanischen Überbelastungen sicher. Vorzugsweise wird die Wärmeenergie des Abgases direkt ausgenutzt, indem die thermoelektrische Generatoreinheit so ausgebildet ist, dass sie in den Abgasstrom eingesetzt ist und von diesem durchströmt wird. Es wäre aber auch möglich, nur bedarfsweise einen Teil des Abgasstroms durch die thermoelektrische Generatoreinheit zu leiten oder über das Abgas ein anderes Medium aufzuheizen, das durch die Generatoreinheit strömt.
Das Generatorgehäuse kann die thermoelektrische Generatoreinheit bis auf Ein- und Ausströmöffnungen für Abgas oder ein anderes heißes Medium verschließen. Es ist in jedem Fall vorteilhaft, wenn die Fixierung des thermoelektrischen Moduls sowie auch der anderen Bauteile rein durch eine Klemmung im Generatorgehäuse erfolgt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein von einem heißen Medium durchströmtes, im Generatorgehäuse in Kontakt mit der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls stehendes erstes Kanalelement und/oder wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmtes, in Kontakt mit der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls stehendes zweites Kanalelement vorgesehen.
Die Kanalelemente wirken dabei gleichzeitig als Fluidkanal und als Wärmetauscher, indem sie Wärmenergie aus dem Fluid oder vom thermoelektrischen Modul aufnehmen bzw. abgeben.
Dabei können das oder die Kanalelemente lose im Gehäuse gelagert und nur über die Einwirkung des elastischen Ausgleichselements im Gehäuse geklemmt sein. Als heißes Medium kann das Abgas selbst oder ein gasförmiges oder flüssiges, vom Abgas erhitztes Medium verwendet werden. Als Kühlmedium kann eine Kühlflüssigkeit wie etwa Wasser oder Luft zum Einsatz kommen.
Das elastische Ausgleichselement kann beispielsweise zwischen zumindest einem Kanalelement und der Innenseite des Generatorgehäuses angeordnet sein.
Es ist möglich, zwei thermoelektrische Module im Generatorgehäuse unterzubringen, zwischen denen ein erstes Kanalelement oder ein zweites Kanalelement angeordnet ist und an deren entgegengesetzten Seiten jeweils das zweite Kanalelement bzw. das erste Kanalelement angeordnet ist. Auch eine Baugruppe aus drei oder noch mehr thermoelektrischen Modulen mit entsprechenden Kanalelementen ist natürlich möglich. Es kann für jedes thermoelektrische Modul jeweils ein eigenes erstes Kanalelement und ein eigenes zweites Kanalelement für heißes Medium bzw. Kühlmedium vorgesehen sein, oder ein erstes bzw. zweites Kanalelement kann jeweils zwei benachbarte thermoelektrische Module versorgen.
Im ersten Fall empfiehlt es sich, die das heiße Medium leitenden Kanalelemente einander zugewandt anzuordnen, genauso wie die das Kühlmedium leitenden Kanalelemente. Daraus ergibt sich für jeweils zwei aneinandergrenzende Baugruppen ein spiegelbildlicher Aufbau.
Im zweiten Fall ist bevorzugt das elastische Ausgleichselement zwischen zwei der gleichartigen Kanalelemente angeordnet, und die zweiten Kanalelemente, die das Kühlmedium führen, liegen an den Innenseiten des Gehäuses an, um Wärme nach außen abgeben zu können. Natürlich könnte die Anordnung von Heiß- und Kaltseite auch umgekehrt sein.
Sowohl im Hinblick auf die Klemmwirkung als auch im Hinblick auf die Ausgleichswirkung des elastischen Ausgleichselements kann dieses an verschiedenen Stellen im Generatorgehäuse angeordnet sein. Sowohl eine Anordnung zwischen einer Innenseite des Generatorgehäuses und anderen Bauteilen der thermoelektrischen Generatoreinheit als auch eine Anordnung zwischen Bauteilen der thermoelektrischen Generatoreinheit fern vom Generatorgehäuse erfüllt die im Rahmen der Erfindung vorgesehene Funktion.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens eines der Kanalelemente Rippen auf, was eine Wärmeübertragung verbessert.
Als Kanalelement kann hier auch ein oben beschriebenes Wärmetauscherelement eingesetzt werden. Das heiße Medium oder das Kühlmedium wird dann wie bei bekannten Wärmetauschern entlang der Rippen geleitet.
Das Kanalelement kann aus einer Metallfolie gefaltet sein, wie dies oben für das Wärmetauscherelement beschrieben ist.
Es ist auch möglich, das Kanalelement aus einem Blech mit daran befestigten Rippen in Analogie zu bekannten Wärmetauschern auszubilden.
In einer bevorzugten Ausführungsform hat das Generatorgehäuse eine runde, zylindrische Gestalt, und die Kanalelemente bilden im Querschnitt betrachtet Kreissegmente und nehmen zwischen sich das wenigstens eine thermoelektrische Modul auf. Dabei ist das thermoelektrische Modul natürlich an den flachen Seiten der Kanalelemente angeordnet.
Eine einfache und kostengünstige thermoelektrische Generatoreinheit lässt sich auch verwirklichen, indem das erste und/oder das zweite Kanalelement als rohrförmiger Körper mit einer im Wesentlichen zylindrischen Umfangswand mit im von der Umfangswand umschlossenen Kanalinnenraum angeordneten Rippen ausgebildet ist.
Die Rippen sind zur Auffüllung des Kanalinnenraums vorzugsweise unterschiedlich lang ausgebildet, wenn der Kanalinnenraum von der Rechteckform abweicht, und erstrecken sich vorzugsweise von einer flachen zu einer bogenförmigen Wand. Es ist möglich, im Prinzip den gesamten Querschnitt des Generatorgehäuses, sofern er nicht von dem im Querschnitt schmalen thermoelektrischen Modul ausgefüllt wird, durch die Rippen der Kanalelemente in einzelne schmale Kanäle zu unterteilen, sodass für die strömenden heißen und kalten Medien große Kontaktflächen mit den Kanalelementen geschaffen sind.
Die Ausbildung der Strömungskanäle für die heißen und kalten Medien wird vorzugsweise durch die Kanalelemente selbst erreicht.
Die Rippen können dabei parallel nebeneinander oder gitterförmig angeordnet sein. Eine gitterförmige Anordnung hat den Vorteil einer hohen mechanischen Stabilität. In beiden Fällen bilden die Rippen nur einen geringen Strömungswiderstand aus. Der Abstand der Rippen kann über den Querschnitt des Kanalelements konstant sein oder in Anpassung an die jeweiligen Strömungsverhältnisse variieren.
Es ist vorteilhaft, wenn die Kanalelemente als vorgefertigte Teile ausgebildet sind.
Die Kanalelemente können beispielsweise einfach einstückig durch ein Extrusionsverfahren aus einem Keramikwerkstoff oder einem Metall gefertigt werden. Sie sind in Größe und Form in weitem Maß frei gestaltbar und können so leicht an die jeweiligen geometrischen Gegebenheiten angepasst werden. Insbesondere können die Querschnittsform und Anzahl und Abstand der Rippen auf einfache Weise variiert werden.
Insbesondere in diesem Fall ist es möglich, das abgasdurchströmte Kanalelement mit einer katalytisch wirkenden Beschichtung zu versehen.
Die Baugruppe aus thermoelektrischem Modul und Kanalelement kann mit dem flachen elastischen Ausgleichselement umwickelt im Gehäuse geklemmt sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Kanalelement mit einem flachen, insbesondere rechteckigen Querschnitt ausgebildet. Das Kanalelement ist hier bevorzugt ein Rohr.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei Baugruppen aus jeweils einem thermoelektrischen Modul, einem auf der Hochtemperaturseite angeordneten ersten Kanalelement und einem auf der Niedertemperaturseite angeordneten zweiten Kanalelement vorgesehen, die durch das elastische Ausgleichselement voneinander getrennt und durch das Ausgleichselement vorgespannt im Generatorgehäuse geklemmt sind. Die Baugruppen sind dabei spiegelbildlich angeordnet, wobei die das heiße Medium führenden ersten Kanalelemente zueinander gerichtet sind und die das Kühlmedium führenden zweiten Kanalelemente zur Gehäuseaußenseite angeordnet sind.
Außenseitig können am Generatorgehäuse Kühlrippen vorgesehen sein, um Wärme an die Umgebung abzugeben und so die Temperaturdifferenz über das thermoelektrische Modul möglichst groß zu halten.
Bevorzugt sind mehrere thermoelektrische Module zur Bildung einer plattenförmigen Schicht nebeneinander angeordnet, so dass thermoelektrische Generatoreinheiten mit beliebigen Maßen verwirklicht werden können.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatoreinheit, wie sie oben beschrieben wurde.
Aufgabe ist es, einen Weg aufzuzeigen, wie eine derartige thermoelektrische Generatoreinheit einfach und kostengünstig gefertigt werden kann.
Erfindungsgemäß wird ein Generatorgehäuse bereitgestellt. Die Kanalelemente und das wenigstens eine thermoelektrische Modul werden mit dem elastischen Ausgleichselement zur Bildung einer Baugruppe umwickelt, und die Baugruppe wird in das Gehäuse eingebracht, sodass die Baugruppe vom Gehäuse umschlossen im Gehäuse geklemmt ist. Das elastische Ausgleichselement umgibt dabei die das oder die thermoelektrische(n) Modul(e) und die Kanalelemente und liegt zwischen der Innenseite der Wand des Generatorgehäuses und den Kanalelementen. Auf diese Weise ist die Baugruppe an jeder Stelle des Umfangs mit gleichmäßiger Kraft im Generatorgehäuse geklemmt, und es wird auch verhindert, dass beispielsweise aufgrund von thermischer Ausdehnung eine zu hohe Kraft auf einen Teil der Baugruppe einwirkt, da das elastische Ausgleichselement die Kräfte aufnimmt und verteilt.
Wenn das Generatorgehäuse rohrförmig ist, kann das Einbringen der Baugruppe in das Generatorgehäuse durch Stopfen der Baugruppe in das Gehäuse erfolgen.
Nach einem anderen möglichen Verfahren wird ein Gehäusemantel bereitgestellt, und die Baugruppe wird mit dem Gehäusemantel umwickelt, sodass ein geschlossenes Gehäuse gebildet wird. Dieses Verfahren ist ein sogenanntes Canningverfahren, auch Wickelverfahren genannt.
Es ist auch möglich, die Baugruppe in das Generatorgehäuse einzuschieben und dieses anschließend von außen plastisch einwärts zu verformen. In diesem Fall wird das Generatorgehäuse mit leichter Übergröße gefertigt.
Es kann bei sämtlichen Verfahren ein Kalibrierschritt vorgesehen sein, bei dem der Gehäusedurchmesser verändert und insbesondere reduziert wird.
All die genannten Verfahren stellen sicher, dass die Baugruppe aus Kanalelementen, thermoelektrischem Modul und elastischem Ausgleichselement im Generatorgehäuse sicher mit ausreichender, aber ohne übergroße Kraft durch Klemmung gehalten wird.
Es ist auch möglich, Daten zu der zu verbauenden Baugruppe zu ermitteln, die Aussagen über das Volumen, die Elastizität oder Festigkeit der Baugruppe oder einzelner ihrer Bauteile zulassen, und abgestimmt auf diese Daten das Generatorgehäuse individuell herzustellen, um eine gewünschte individuelle Klemmkraft zu erzeugen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Moduls;
2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einem thermoelektrischen Modul und zwei Wärmetauscherelementen;
3 bis 6 verschiedene Varianten einer erfindungsgemäßen Baugruppe aus einem thermoelektrischen Modul und zwei Wärmetauscherelementen
7 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit gemäß einer ersten Ausführungsform;
8 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform;
9 und 10 zwei weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit;
11 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit gemäß einer dritten Ausführungsform, wobei das Gehäuse teilweise ausgeschnitten gezeigt ist;
12 eine schematische perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit gemäß einer vierten Ausführungsform, wobei das Gehäuse teilweise aufgeschnitten gezeigt ist;
13 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Abgasleitungsvorrichtung mit einer thermoelektrischen Generatoreinheit aus 6;
14 bis 16 verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit gemäß einer weiteren Ausführungsform.
1 zeigt ein thermoelektrisches Modul 10, mit mehreren, nebeneinander angeordneten und elektrisch in Reihe geschalteten einzelnen thermoelektrischen Elementen 12, die aus bekannten, geeigneten Halbleitermaterialien oder Metallen bestehen. Die einzelnen thermoelektrischen Elemente 12 sind plattenförmig ausgebildet und hochkant nebeneinander angeordnet, wobei sich, wie bei bekannten Modulen, p- und n-leitende Elemente abwechseln.
Die Elemente 12 sind senkrecht zu einer ersten Modulgehäuseplatte 14 und einer parallelen zweiten Modulgehäuseplatte 16 angeordnet. Die erste Modulgehäuseplatte 14 definiert in diesem Fall eine Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 und die zweite Modulgehäuseplatte 16 eine Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10.
Die Modulgehäuseplatten bestehen in diesem Beispiel aus einem keramischen Isolator, der eine möglichst gute thermische Leitfähigkeit aufweist.
Zwischen den einzelnen thermoelektrischen Elementen 12 sind Wärmeleitelemente 18 aus einem gut wärmeleitenden Material wie etwa Kupfer angeordnet, die T-förmig ausgebildet sind und Wärme von der Hochtemperaturseite zu den thermoelektrischen Elementen 12 leiten bzw. Wärme von den thermoelektrischen Elementen 12 zur Niedertemperaturseite ableiten. Dies ist in der 1 schematisch dargestellt. Die Wärmeleitelemente 18 sind dabei natürlich so angeordnet, dass keine Wärmebrücken zwischen den Modulgehäuseplatten 14, 16 ausgebildet sind. Die senkrecht verlaufenden Schenkel der Wärmeleitelemente 18 liegen zwischen einem n- und einem p-leitenden Element. Im dargestellten Beispiel verläuft das Temperaturgefälle parallel zu den Modulgehäuseplatten 14, 16, quer zur Längserstreckung der Elemente 12. Für diese Anordnung kann ein an sich bekannter Aufbau gewählt werden.
Alternativ sind aber auch Anordnungen denkbar, bei denen die Temperaturdifferenz senkrecht zu den Modulgehäuseplatten 14, 16 über die thermoelektrischen Elemente 12 anliegt. Eine derartige Anordnung ist in den thermoelektrischen Modulen gewählt, die in den 3 bis 6 dargestellt sind. Die einzelnen thermoelektrischen Elemente 12 sind hochkant nebeneinander angeordnet, wobei sich p- und n-leitende Elemente abwechseln. Zwischen den einzelnen thermoelektrischen Elementen 12 ist jeweils ein Füllkörper 19 aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen. An den Stirnseiten sind benachbarte thermoelektrische Element 12 über eine elektrisch und thermisch leitfähige Brücke 21 verbunden, die flächig in Kontakt mit der Hoch- bzw. Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10' ist und über die zum einen der elektrische Kontakt der thermoelektrischen Elemente 12 untereinander und zum anderen der Wärmeübertrag auf die thermoelektrischen Elemente 12 erreicht wird.
Seitlich neben der Gruppe aus den thermoelektrischen Elementen 12 und den Wärmeleitelementen 18 zu den Stirnseiten der Modulgehäuseplatten 14, 16 hin ist jeweils ein elastisches Ausgleichselement 20 zwischen den Modulgehäuseplatten 14, 16 angeordnet (optional bei den in den 3 bis 6 gezeigten Modulen 10'). Die beiden elastischen Ausgleichselemente 20 liegen hier an den Stirnseiten der Gruppe der thermoelektrischen Elemente 12 und an den Innenseiten der Stirnplatten 22 des Modulgehäuses an, wobei das Modulgehäuse durch die Modulgehäuseplatten 14, 16 und die Stirnplatten 22 gebildet ist. Die Stirnplatten 22 bestehen aus einem elektrisch und thermisch möglichst schlecht leitenden Material, um sowohl elektrische Kurzschlüsse als auch Wärmebrücken zwischen den Modulgehäuseplatten 14, 16 zu vermeiden. Die elastischen Ausgleichselemente 20üben eine seitlich gerichtete Kraft F auf die thermoelektrischen Elemente 12 aus, wie durch die Pfeile in 1 verdeutlicht ist.
Die elastischen Ausgleichselemente 20 sind in diesem Beispiel durch Stücke von Lager- oder Fasermatten gebildet, wie sie beispielsweise als Klemm- und Ausgleichselemente bei der Fixierung von Katalysatorsubstraten eingesetzt werden. Die Matte kann beispielsweise aus einem Gewirk, Gestrick oder Vlies, z. B. aus einem Stahldraht bestehen. Die thermoelektrischen Elemente 12 werden durch die Matte seitlich vorgespannt und geklemmt, können bei Temperaturausdehnungen evtl. wandern. Die Abmessungendes Ausgleichselements 20 entsprechen in der Höhe dem Abstand der Modulgehäuseplatte 14, 16, während die Breite in etwa der eines oder mehrerer der thermoelektrischen Elemente 12 beträgt. In der Länge kann sich das Ausgleichselement 20 über die gesamte Gruppe der thermoelektrischen Elemente 12 erstrecken.
Die Abmessungen des Modulgehäuses und der elastischen Ausgleichselemente 20 sind so gewählt, dass keine weiteren Befestigungselemente oder Klemmelemente für die thermoelektrischen Elemente 12 im Modulgehäuse notwendig sind.
Das thermoelektrische Modul 10 ist gegenüber seiner Umgebung vollständig abgeschlossen und so gegen Umwelteinflüsse geschützt. Lediglich (nicht gezeigte) elektrische Anschlüsse verlaufen aus dem Gehäuse heraus.
Das thermoelektrische Modul 10 ist plattenförmig ausgebildet, wobei beide Modulgehäuseplatten 14, 16 eine deutlich größere flächige Ausdehnung haben als der Abstand zwischen den beiden Modulgehäuseplatten 14, 16.
Mehrere thermoelektrische Module 10 können in einer Ebene zu einer plattenförmigen Schicht aneinandergesetzt werden, die im Wesentlichen beliebig dimensioniert sein kann. Dies ist beispielsweise in der 12 zu erkennen. Im folgenden wird begrifflich nicht zwischen einem einzelnen Modul und einer eigentlich aus mehreren Einzelmodulen zusammengesetzten plattenförmigen Schicht aus thermoelektrischen Modulen unterschieden. Beide werden mit dem Bezugszeichen 10 bzw. 10' bezeichnet. Für alle Ausführungsformen können nämlich auch beliebig viele Module nebeneinander positioniert werden, um eine Art Schicht zu bilden.
2 zeigt eine Baugruppe mit einem thermoelektrischen Modul 10 und einem ersten, an dessen Hochtemperaturseite befestigten ersten Wärmetauscherelement 24 und einem zweiten, an der Niedertemperaturseite befestigten zweiten Wärmetauscherelement 26.
Bei dem thermoelektrischen Modul 10 kann es sich um ein gerade beschriebenes thermoelektrisches Modul oder ein anderes geeignetes thermoelektrisches Modul, beispielsweise ein Modul 10' wie in den Ausführungsformen der 3 bis 6, handeln.
Beide Wärmetauscherelemente 24, 26 sind großflächig mit den Gehäuseseiten, in diesem Fall den Modulgehäuseplatten 14, 16 des thermoelektrischen Moduls 10 verklebt. Der verwendete Klebstoff sollte den Temperaturen standhalten, denen die Baugruppe ausgesetzt ist und möglichst gut wärmeleitend sein.
Der Klebstoff zwischen der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 und dem ersten Wärmetauscherelement 24 besteht hier aus einer Schicht 28 eines geeigneten Zwei-Komponenten-Klebers. Hierfür kommt beispielsweise eine Verbindung aus einem silanterminierten Polymer und einem Kunstharz in Frage, wie sie unter dem Markennamen collano RS 8500 erhältlich ist.
Auf der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 ist die Klebstoffschicht 30 zwischen dem Modulgehäuse und dem zweiten Wärmetauscherelement 26 in diesem Beispiel durch einen Glas- oder Keramikkleber gebildet. Geeignete Klebstoffe sind hier beispielsweise glasbasierte Klebstoffe, Glaslot oder keramische Klebstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid, Aluminiumoxinitrid oder Bornitrid.
Jedes der beiden Wärmetauscherelemente 24, 26 besteht z. B. aus einer Metallfolie, die so gefaltet ist, dass eine Vielzahl von senkrecht zu dazwischenliegenden flachen Flachstücken 27 und senkrecht zum thermoelektrischen Modul 10 abstehenden, einzelnen, parallel zueinander liegenden Rippen 32 gebildet ist. Zwischen diesen Rippen 32 strömt das kalte bzw. heiße Medium. Die Flachstücke 27 sind zur Gehäuseseite des thermoelektrischen Moduls 10 gerichtet und mit dieser verklebt. Die Folienabschnitte, die die Rippen bilden, können flächig aneinander anliegen und optional miteinander verklebt sein, so dass die Flachstücke 27 im Wesentlichen eine durchgehende Fläche bilden.
Die 3 bis 6 zeigen verschiedene Varianten einer derartigen Baugruppe. In allen Fällen wird im thermoelektrischen Modul 10' auf separate Modulgehäuseplatten verzichtet. Diese Funktion wird von den Wärmetauscherelementen 24, 26 übernommen. Diese bestehen, wie oben bereits beschrieben, jeweils aus einer einstückigen Metallfolie, die so gefaltet ist, dass Rippen 32 mit dazwischenliegenden Flachstücken 27 entstehen. Die Wärmetauscherelemente 24, 26 sind direkt mit der Hochtemperatur- bzw. Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10' verklebt.
Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform ist eine Klebstoffschicht 28, 30 nur im Bereich der Flachstücke 27 vorgesehen, während Metallfolie im Bereich der Rippen 32 nicht verklebt ist.
Im Gegensatz dazu ist bei der Variante nach 4 die Klebstoffschicht 28, 30 auf der gesamten Metallfolie vorgesehen, so dass auch die beiden Seitenflächen der einzelnen Rippen 32 jeweils miteinander verklebt sind. Hier wird vor dem Falten der Metallfolie großflächig der jeweilige Kleber auf die Folie aufgebracht, z. B. durch Sprühen, und danach die Folie gefaltet und auf die Hoch- bzw. Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10' aufgeklebt.
5 zeigt eine Variante, bei der die Klebstoffschicht 28, 30 im Bereich der Flachstücke 27 nur über den Brücken 21 zwischen den thermoelektrischen Elementen 12 vorgesehen ist, um den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der thermoelektrischen Elemente 12 und der Füllkörper 19 Rechnung zu tragen. Die Seitenflächen der Rippen 32 können miteinander verklebt sein (5 unten) oder nicht (5 oben). Die Abstände der Rippen 32 und damit die Breite der Flachstücke 27 variieren dabei in Abhängigkeit von der Länge der Brücken 21 bzw. der Füllkörper 19.
Die Wärmetauscherelemente 24, 26 können auch so ausgebildet sein wie im Fall der Variante in 6, dass sie das thermoelektrische Modul 10' vollständig umschließen und somit nicht nur die Funktion der Modulgehäuseplatten, sondern eines vollständigen Gehäuses erfüllen. Dazu sind die beiden Wärmetauscherelemente 24, 26 beispielsweise mit freien Randabschnitten 33 ausgeführt und so um das Modul 10' gelegt, dass die Randabschnitte 33 die Schmalseiten des Moduls 10' bedecken und dort miteinander an einer Schweißnaht 35 verschweißt sind.
Es wäre auch möglich, für die Wärmetauscherelemente 24, 26 herkömmliche Kühlkörper mit Rippen einzusetzen, beispielsweise könnte ein Metallblech mit angelöteten oder angeschweißten weiteren Blechstücken, die die Rippen 32 bilden, versehen sein, oder die Wärmetauscherelemente 24, 26 könnten als Gussteile oder Extrusionsteile mit daran ausgebildeten Rippen gefertigt sein.
An den Schmalseiten kann das thermoelektrische Modul 10 von einem schmalen Stabilisierungselement 34, beispielsweise auch in Form eines elastischen Ausgleichselements, umgeben sein, um das Modul vor mechanischen Einwirkungen zu schützen. In den 7 bis 12 sind verschiedene Varianten von thermoelektrischen Generatoreinheiten dargestellt, die jeweils ein oder mehrere thermoelektrische Module 10 aufweisen, die identisch mit dem oben beschriebenen thermoelektrischen Modul 10 sein können. Es können aber auch andere thermoelektrische Module eingesetzt werden.
Alle gezeigten thermoelektrischen Generatoreinheiten sind dazu geeignet, als Abgasleitungsvorrichtungen in den Abgasstrom einer Abgasleitung eingesetzt zu werden, sodass sie direkt vom heißen Abgas durchströmt werden. Es wäre jedoch auch möglich, sie parallel zu einer Abgasleitung anzuordnen, sodass sie bedarfsweise vom Abgas durchströmt werden, oder die Wärme vom Abgas auf ein Medium zu übertragen, das dann die thermoelektrischen Generatoreinheiten durchströmt.
Es ist möglich, nur eine oder aber mehrere thermoelektrische Generatoreinheiten im Abgassystem anzuordnen.
Bei den in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen weist die thermoelektrische Generatoreinheit 100 bzw. 200 ein zylindrisches, rohrförmiges, langgestrecktes Generatorgehäuse 102 auf.
Bei der Ausführungsform nach 7 ist ein thermoelektrisches Modul 10 entlang des Durchmessers des Generatorgehäuses 102 parallel zu diesem angeordnet, wobei die Breite des thermoelektrischen Moduls 10 etwas kleiner gewählt ist als der Durchmesser des Generatorgehäuses 102.
Auf der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 ist ein erstes Kanalelement 104 angeordnet, das einen ersten, im Wesentlichen geschlossenen Kanal 106 bildet, der von heißem Abgas oder einem anderen heißem Medium durchströmt wird.
Das erste Kanalelement 104 besteht aus z. B. zwei Teilen, die so zusammengesetzt sind, dass sie einen fluiddichten Kanal 106 ausbilden. Das erste Teil ist in seinem Aufbau den oben beschriebenen Wärmetauscherelementen 24, 26 nachempfunden. Es ist an einer flachen Basisfläche 108 flächig mit der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 verbunden, beispielsweise verklebt wie oben beschrieben, und weist senkrecht davon abstehende Rippen 32 auf, die in den Kanal 106 hineinragen und eine große Wärmeübertragungsfläche für das durchströmende heiße Medium zur Verfügung stellen.
Die Rippen 32 sind dabei an den Rohrdurchmesser angepasst und variieren in ihrer Länge, sodass der gesamte zur Verfügung stehende Querschnitt von den Rippen 32 unterteilt wird. Dieser Abschnitt des Kanalelements 104 kann wie oben für das Wärmetauscherelement 24, 26 aus einer Metallfolie gefaltet sein.
Das zweite Teil ist ein schalenförmiges Wandelement 110, das mit der Basisfläche 108 abschließt und mit dieser so verbunden ist, dass der fluiddichte Kanal 106 gebildet ist.
Das erste Kanalelement 104' kann auch einstückig als Guss- oder Extrusionsteil aus einem geeigneten, z. B. wärmeleitfähigen, keramischen, gesinterten, Material oder einem geeigneten Metall wie Edelstahl, Gußeisen oder Aluminium gefertigt sein, wie in den 9 und 10 dargestellt. In diesem Fall gehen die Rippen 32 einstückig in die flache Basisfläche 108 und in das Wandelement 110 über. Als Werkstoff kann das gleiche Material zum Einsatz kommen wie für die Modulgehäuseplatten 14, 16.
Als Keramikwerkstoff kommt beispielsweise eine Keramik mit einem Al₂O₃-Anteil von über 80% zum Einsatz. Eine derartige Keramik hat eine vergleichbare Wärmeleitfähigkeit wie Edelstahl (etwa 10–30 W/mK). Auch ein Aluminiumnitrid mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 100 W/mK oder ein Siliziumnitrid (15–45 W/mK) können Verwendung finden. Bestehen die Kanalelemente aus einem elektrisch isolierenden Keramikwerkstoff, schützen sie gleichzeitig das thermoelektrische Modul gegen Kurzschlüsse.
In einer alternativen Ausführung ist das Kanalelement 104'' in seinem Kanalinnenraum mit gitterförmig angeordneten Rippen 32 versehen, die sich hier im rechten Winkel kreuzen. Rippen 32 und Wandteile sind einstückig miteinander gefertigt. Der Abstand der Rippen 32 und damit der Querschnitt der von diesen gebildeten Kanäle, kann konstant sein, aber auch variieren.
Das Kanalelement 104' ist optional innenseitig mit einer katalytisch aktiven Substanz zur Umsetzung von im Abgas enthaltenen Schadstoffen beschichtet.
Auf der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 ist ein zweites Kanalelement 112, 112' oder 112'' angeordnet, das hier in seinem Aufbau im Wesentlichen identisch zum ersten Kanalelement 104, 104' oder 104'' ist. Das zweite Kanalelement 112 definiert einen zweiten Kanal 114, der von einem Kühlmedium wie Wasser, einer anderen Kühlflüssigkeit oder Luft durchströmt wird, und ist mit seiner Basisfläche mit der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 verbunden.
Die beiden schalenförmigen Wandelemente 110 des ersten und des zweiten Kanalelements 104, 112 stoßen an den Stabilisierungselementen 34 des thermoelektrischen Moduls 10 aneinander, sodass hier ein Kraftausgleich stattfinden kann.
Die flachen Basisflächen 108 können die Aufgabe der Modulgehäuseplatten 14, 16 übernehmen, so dass auf diese verzichtet werden kann, um eine direktere Wärmeübertragung zu erreichen.
Zwischen den Kanalelementen 104, 112 und der Hoch- bzw. Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 ist zur Verbesserung der Wärmeübertragung eine Funktionsschicht, beispielsweise in Form einer Wärmeleitpaste oder eines der bereits beschriebenen Klebstoffe vorgesehen (in den Figuren mit den Bezugszeichen 28 bzw. 30 bezeichnet).
Die beiden Kanalelemente 104, 112 und das dazwischenliegende thermoelektrische Modul 10 sind mit einem elastischen Ausgleichselement 20 in Form einer dünnen flachen Matte, beispielsweise einer Lagermatte oder einer Fasermatte, wie sie oben beschrieben wurde, vollständig umwickelt.
Das elastische Ausgleichselement 20 liegt z. B. über den gesamten Umfang in gleichmäßiger Stärke zwischen der Innenwand des Generatorgehäuses 102 und der Außenseite der Wandelemente 110 der Kanalelemente 104, 112. Durch das leicht komprimierte elastische Ausgleichselement 20 wird eine feste Klemmung der Baugruppe aus elastischem Ausgleichselement 20, Kanalelementen 104, 112 und thermoelektrischem Modul 10 im Generatorgehäuse 102 erreicht. Außerdem nimmt das elastische Ausgleichselement 20 Kräfte auf, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten entstehen, und verhindert so eine übermäßige Krafteinwirkung auf die Kanalelemente 104, 112 und vor allem auf das thermoelektrische Modul 10.
Die in 8 dargestellte Ausführungsform entspricht dem Prinzip nach der eben beschriebenen. Es werden im folgenden nur die Unterschiede erläutert. Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform sind zwei thermoelektrische Module 10 mit Abstand zueinander parallel zum Verlauf des Generatorgehäuses 102 angeordnet. Ihre Hochtemperaturseiten weisen voneinander weg nach außen. An jeder Hochtemperaturseite ist ein erstes Kanalelement 204 angebracht, sodass es zur Innenwand des Generatorgehäuses 102 weist. Die ersten Kanalelemente 204 haben denselben prinzipiellen Aufbau wie die ersten Kanalelemente 104 der Ausführungsform nach 7.
Die beiden Niedertemperaturseiten der thermoelektrischen Module 10 sind einander zugewandt, und zwei zweite Kanalelemente 212 sind an den Niedertemperaturseiten angebracht, die einen gemeinsamen Kühlmittelkanal 214 in der Mitte des Generatorgehäuses 102 bilden. Jedes der zweiten Kanalelemente 212 hat im Wesentlichen einen Aufbau wie eines der oben beschriebenen Wärmetauscherelement 24, 26. Die Rippen 32 der beiden zweiten Kanalelement 212 greifen alternierend ineinander, sind aber nur so lang ausgebildet, dass noch ein Abstand zur Basisfläche des jeweiligen anderen Kanalelements 212 bestehen bleibt. An den Längsseiten sind die beiden zweiten Kanalelemente 212 so miteinander verbunden, dass der Kanal 214 fluiddicht ist.
Wie in der in 7 beschriebenen Ausführungsform ist die Baugruppe aus den beiden thermoelektrischen Modulen und den Kanalelementen mit einem elastischen Ausgleichselement 20 umwickelt, das zwischen den Bauteilen und der Innenseite des Generatorgehäuses 102 liegt. Alle Bauteile sind nur durch Klemmung im Generatorgehäuse 102 gehalten.
Zur Herstellung der thermoelektrischen Generatoreinheiten 100, 200 werden mehrere Verfahren vorgestellt. In jedem Fall werden zunächst alle zu verwendenden thermoelektrischen Module 10 und Kanalelemente 104, 112 bzw. 204, 212 in die gewünschte Anordnung gebracht, die sie später im Generatorgehäuse 102 einnehmen sollen. Dann werden diese Bauteile mit dem elastischen Ausgleichselement 20 umfangsmäßig vollständig umwickelt.
Das Einbringen dieser vorgefertigten Baugruppe in das Gehäuse kann auf verschiedenen Wegen erfolgen.
Nach einem Verfahren wird die Baugruppe in axialer Richtung in das bereits in Umfangsrichtung geschlossene, zylinderförmige Generatorgehäuse 102 gestopft.
Nach einem anderen möglichen Verfahren wird das Generatorgehäuse 102 erst beim Einbringen der Baugruppe geschlossen und liegt zunächst als gebogener Gehäusemantel vor. Dann wird die Baugruppe wird mit dem Gehäusemantel umwickelt, sodass ein geschlossenes Gehäuse gebildet wird. Dieses Verfahren ist ein sogenanntes Wickelverfahren.
Es ist auch möglich, die Baugruppe in das Generatorgehäuse 102 einzuschieben und dieses anschließend von außen plastisch einwärts zu verformen. In diesem Fall wird das Generatorgehäuse 102 mit leichter Übergröße gefertigt.
Optional kann zusätzlich ein Kalibrierschritt vorgesehen sein, bei dem der Gehäusedurchmesser verändert und insbesondere reduziert wird, um die gewünschte Klemmkraft zwischen der Baugruppe und der Innenseite des Generatorgehäuses 102 zu erreichen.
Es ist auch möglich, Daten zu der zu verbauenden Baugruppe zu ermitteln, die Aussagen über das Volumen, die Elastizität oder Festigkeit der Baugruppe oder einzelner ihrer Bauteile zulassen, und abgestimmt auf diese Daten das Generatorgehäuse 102 individuell herzustellen, um eine gewünschte Klemmkraft zu erzeugen.
Die Kanalelemente 104–104'', 108–108'' können auch einen anderen Querschnitt, z. B. eine Rechteckform, aufweisen. Das Generatorgehäuse 102 hat dann eine entsprechend angepasste Form. Sind die Kanalelemente 104–104'', 108–108'' aus einem Metall gefertigt, kann auf das Ausgleichselement 20 verzichtet und das Generatorgehäuse 102 angeschweißt oder angelötet werden.
Die 11 und 12 beschreiben zwei weitere Ausführungsformen thermoelektrischer Generatoreinheiten. In diesen beiden Ausführungsformen ist eine Schichtstruktur aus plattenförmigen thermoelektrischen Modulen 10 und plattenförmigen Kanalelementen bzw. Ausgleichselementen gewählt.
Bei der in 11 gezeigten Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatoreinheit 300 ist in einem Generatorgehäuse 302 mit einem rechteckigen Querschnitt ein thermoelektrisches Modul 10 in Kontakt mit der in 5 unteren Seite des Generatorgehäuses 302 angeordnet, sodass eine Niedertemperaturseite in Kontakt mit der Innenseite des Generatorgehäuses 302 ist. An der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 ist ein erstes Kanalelement 304 in flächigem Kontakt mit der Hochtemperaturseite angeordnet.
In dieser Ausführungsform ist das erste Kanalelement 304 als Rohr mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt. Die Breite des Kanalelements 304 ist so gewählt, dass sie in etwa der Breite des Generatorgehäuses 302 entspricht. In diesem Fall weist der Querschnitt des Kanalelements 304 keine Rippen auf. Auf dem Kanalelement 304 und zwischen dem Kanalelement 304 und der Innenseite des Generatorgehäuses 302 ist ein elastisches Ausgleichselement 20 in Form einer flachen Matte angeordnet. Wie bisher auch kann es sich hierbei z. B. um eine Lagermatte oder um eine Fasermatte handeln.
Das thermoelektrische Modul 10, das Kanalelement 304 und das Ausgleichselement 20 füllen den Querschnitt des Generatorgehäuses 302 vollständig aus und sind mittels des elastischen Ausgleichselements 20 im Generatorgehäuse 302 geklemmt, wie dies für die anderen Ausführungsformen bereits beschrieben wurde.
Das Generatorgehäuse 302 weist einen rechteckigen Querschnitt auf, so dass es die Baugruppe aus thermoelektrischem Modul 10, Kanalelement 304 und elastischem Ausgleichselement 20 formschlüssig umgibt.
An der in 11 gezeigten Unterseite des Generatorgehäuses 302 in Kontakt mit der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls 10 sind herkömmliche Kühlrippen 332 ausgebildet, über die Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Eine eigene Kühlmittelleitung ist in diesem Fall nicht vorgesehen, könnte aber vorhanden sein.
Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform sind im Generatorgehäuse 402, das analog zum Generatorgehäuse 302 gestaltet ist, zwei thermoelektrische Module 10 mit Abstand zueinander angeordnet, wobei deren Niedertemperaturseiten nach außen und deren Hochtemperaturseiten nach innen gerichtet sind. Bei jedem der thermoelektrischen Module 10 ist an der Niedertemperaturseite ein zweites Kanalelement 412 und an der Hochtemperaturseite ein erstes Kanalelement 404 angeordnet.
Sowohl die ersten als auch die zweiten Kanalelemente 404, 412 sind hier z. B. als flache Rohre mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet, wie das Kanalelement 304 bei der in 11 beschriebenen Ausführungsform. Die ersten Kanalelemente 404 sind von heißem Medium durchströmt, während die zweiten Kanalelemente 412 von einem Kühlmedium durchströmt werden.
Die beiden Baugruppen aus dem thermoelektrischen Modul 10 und den an der Hochtemperaturseite bzw. der Niedertemperaturseite angeordneten Kanalelementen 404, 412 sind durch ein elastisches Ausgleichselement 20 in Form einer Matte voneinander beabstandet. In der in die Zeichenebene in der 12 hinein verlaufenden Ebene weisen sämtliche Bauteile im Wesentlichen die gleichen Maße auf.
Im Generatorgehäuse 402 sind die einzelnen Bauteile in direktem Kontakt übereinandergestapelt, wie in 13 schematisch dargestellt ist. Die beiden Kühlmittel führenden zweiten Kanalelemente 412 liegen dabei in direktem Kontakt zur Wand des Generatorgehäuses 402.
Das Generatorgehäuse 402 weist jeweils für jedes der zweiten Kanalelemente 412 einen Einlass 414 und einen Auslass 416 für das Kühlmedium auf. Der Kühlmediumkreislauf ist auf bekannte Art gestaltet und hier nicht weiter dargestellt.
An den Stirnseiten 418 weist die thermoelektrische Generatoreinheit 400 eine Einströmöffnung 420 bzw. eine Ausströmöffnung 422 auf, die nur in 7 gezeigt sind. Durch diese Öffnungen strömt Abgas oder heißes Medium in die thermoelektrische Generatoreinheit 400, genauer gesagt, in die ersten Kanalelement 404 ein bzw. verlässt diese wieder.
Sämtliche Bauelemente werden vorzugsweise nur durch die Klemmung über das elastische Ausgleichselement 20 im Generatorgehäuse 402 gehalten, ohne dass weitere zusätzliche mechanische Halteelemente oder Verklebungen nötig sind.
Das Generatorgehäuse 402 kann wie gezeigt sämtliche Bauteile umschließen, es könnte aber auch in Form einzelner separater Klammern gestaltet sein.
Die 14 bis 16 zeigen eine thermoelektrische Generatoreinheit 500, die eine der Baugruppen der oben beschriebenen Art enthält. Ein Generatorgehäuse 102 aus einem Metallblech umschließt die Baugruppe und ist am thermoelektrischen Modul 10 formschlüssig fixiert, so dass auf die Rippen 32 nur minimale Kräfte wirken. Das thermoelektrische Modul teilt das Generatorgehäuse 102 in zwei Kanäle H, K, wobei einer der Kanäle von einem heißen und der andere von einem kalten Medium durchströmt wird.
Im gezeigten Fall sind zwei thermoelektrische Module 10 hintereinander im Generatorgehäuse 102 angeordnet (siehe 15 und 16).
Sämtliche Merkmale der einzelnen Vorrichtungen, Verfahren, Baugruppen und Ausführungsformen können im Ermessen des Fachmanns nach Belieben kombiniert, separat verwirklicht oder gegeneinander ausgetauscht werden. Die in nachfolgenden Sätzen und Absätzen erwähnten Merkmale müssen nicht zwingend miteinander kombiniert werden, sondern stellen vorteilhafte Beispiele dar.
Insbesondere ist die Verwendung eines der beschriebenen thermoelektrischen Module unabhängig von einem Einsatz in einer der beschriebenen thermoelektrischen Generatoreinheiten, und diese können natürlich auch für andere Einsatzzwecke als Abgasleitungsvorrichtungen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Modul
10': Modul
12: Element
14: Modulgehäuseplatte
16: Modulgehäuseplatte
18: Wärmeleitelement
19: Füllkörper
20: Ausgleichselement
21: Brücke
22: Stirnplatte
24: Wärmetauscherelement
26: Wärmetauscherelement
27: Flachstück
28: Schicht
30: Klebstoffschicht
32: Rippen
33: Randabschnitt
34: Stabilisierungselement
35: Schweißnaht
100: Generatoreinheit
100': Generatoreinheit
100'': Generatoreinheit
102: Generatorgehäuse
104: Kanalelement
104': Kanalelement
104'': Kanalelement
106: Kanal
108: Basisfläche
110: Wandelement
112: Kanalelement
112': Kanalelement
112'': Kanalelement
114: Kanal
200: Generatoreinheit
204: Kanalelement
214: Kühlmittelkanal
300: Generatoreinheit
302: Generatorgehäuse
304: Kanalelement
332: Kühlrippen
400: Generatoreinheit
402: Generatorgehäuse
404: Kanalelement
412: Kanalelement
414: Einlass
416: Auslass
418: Stirnseiten
420: Einströmöffnung
422: Ausströmöffnung
500: Generatoreinheit
F: Kraft
H, K: Kanal

Claims

Thermoelektrisches Modul mit mehreren in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen (12), die zwischen einer eine Hochtemperaturseite definierenden ersten Modulgehäuseplatte (14) und einer eine Niedertemperaturseite definierenden zweiten Modulgehäuseplatte (16) angeordnet sind, wobei seitlich neben den thermoelektrischen Elementen (12) und zu den Stirnseiten der Modulgehäuseplatten (14, 16) hin wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (20), insbesondere eine Matte, vorgesehen ist, die eine seitliche Haltekraft (F) auf die thermoelektrischen Elemente (12) ausübt und sich von einer zur anderen Innenseite der gegenüberliegenden Modulgehäuseplatten (14, 16) erstreckt.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulgehäuseplatten (14, 16) Teil eines Modulgehäuses sind, das die thermoelektrischen Elemente (12) und das elastische Ausgleichselement (20) vollständig umschließt.
Thermoelektrisches Modul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (12) plattenförmige Teile sind, die sich im wesentlichen mit ihrer Flachseite rechtwinklig zu den Modulgehäuseplatten (14, 16) erstrecken.
Baugruppe aus einem thermoelektrischen Modul (10), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Hochtemperaturseite und einer Niedertemperaturseite, und wenigstens einem auf der Hochtemperaturseite und/oder der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls (10) angeordneten Wärmetauscherelement (24, 26), wobei das Wärmetauscherelement (24, 26) durch Kleben mit dem thermoelektrischen Modul (10) verbunden ist.
Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber ein Glaslot, ein Glas enthaltender Klebstoff, ein keramischer Klebstoff oder ein Zwei-Komponenten-Klebstoff ist.
Baugruppe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement (24, 26) abstehende Rippen (32) aufweist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement (24, 26) aus einer gefalteten Metallfolie besteht.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (32) durch Falten in der Metallfolie gebildet sind und zwischen den Rippen (32) Flachstücke (27) ausgebildet sind, die in Kontakt mit dem thermoelektrischen Modul (10') sind.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber nur zwischen den Flachstücken (27) und dem thermoelektrischen Modul (10') vorhanden ist.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber auf der gesamten Metallfolie vorhanden ist.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kleber auf den Flachstücken (27) nur im Bereich von Kontaktstellen von thermoelektrischen Elementen (12) des thermoelektrischen Moduls (10') mit der Hoch- bzw. Niedertemperaturseite vorgesehen ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere zur Ankoppelung an eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine, mit einem Generatorgehäuse (102; 302: 402), in dem wenigstens ein elastisches Ausgleichselement (20), insbesondere eine Matte, sowie wenigstens ein thermoelektrisches Modul (10) untergebracht sind, wobei das thermoelektrische Modul (10) eine Hochtemperaturseite und eine Niedertemperaturseite aufweist und mehrere, zu einer Einheit zusammengeschlossene thermoelektrische Elemente (12) umfasst und vorzugsweise ein thermoelektrisches Modul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ist, wobei das Generatorgehäuse (102; 302; 402) über das elastische Ausgleichselement (20) eine Vorspannung auf das thermoelektrische Modul (10) ausübt, um dieses im Generatorgehäuse (102; 302: 402) zu klemmen.
Thermoelektrische Generatoreinheit, insbesondere zur Ankoppelung an eine Abgasleitung einer Verbrennungskraftmaschine, mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul (10), das eine Hochtemperatur- und eine Niedertemperaturseite aufweist und mehrere, zu einer Einheit zusammengeschlossene thermoelektrische Elemente (12) umfasst, wobei wenigstens ein von einem heißen Medium durchströmtes, im Generatorgehäuse (102) in Kontakt mit der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls (10) stehendes, von einem heißen Medium durchströmtes erstes Kanalelement (104–104'') und/oder wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmtes, in Kontakt mit der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls (10) stehendes zweites Kanalelement (112–112'') vorgesehen ist, wobei das erste und/oder das zweite Kanalelement als rohrförmiger Körper mit einer im Wesentlichen zylindrischen Umfangswand mit im von der Umfangswand umschlossenen Kanalinnenraum angeordneten Rippen (32) ausgebildet ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (32) parallel nebeneinander oder gitterförmig angeordnet sind.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein von einem heißen Medium durchströmtes, im Generatorgehäuse (102; 302: 402) in Kontakt mit der Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Moduls (10) stehendes, von einem heißen Medium durchströmtes erstes Kanalelement (104, 204, 304; 404) und/oder wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmtes, in Kontakt mit der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls (10) stehendes zweites Kanalelement (112; 212; 412) vorgesehen ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einem Kanalelement (104, 112; 204; 304) und der Innenseite des Generatorgehäuses (102; 302) das elastische Ausgleichselement (20) angeordnet ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwei thermoelektrische Module (10) im Generatorgehäuse (102; 402) untergebracht sind, zwischen denen ein erstes Kanalelement (404) oder ein zweites Kanalelement (212) angeordnet ist und an deren entgegengesetzten Seiten das zweite Kanalelement (412) bzw. das erste Kanalelement (204) angeordnet ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Kanalelemente (104, 112; 204; 212) Rippen aufweist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalelement (104, 112; 204; 212) aus einer Metallfolie gefaltet ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalelement aus einem Blech mit daran befestigten Rippen gebildet ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalelement (104', 112'; 104'', 112'') einstückig aus einem Keramikwerkstoff oder einem Metall gefertigt ist, insbesondere durch Extrusion.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgehäuse (102) eine runde, zylindrische Gestalt hat und die Kanalelemente (104, 112; 204) im Querschnitt betrachtet Kreissegmente bilden und zwischen sich das wenigstens eine thermoelektrische Modul (10) aufnehmen.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalelemente (104, 112; 204; 212) Rippen (32) aufweisen, die zur Ausfüllung des Kanalinnenraums unterschiedlich lang sind und sich vorzugsweise von einer flachen (108) zu einer bogenförmigen Wand (110) erstrecken.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das die Baugruppe(n) aus thermoelektrischem Modul (10) und Kanalelement(en) (104, 112; 204, 212) mit dem flachen elastischen Ausgleichselement (20) umwickelt in dem Generatorgehäuse (20) geklemmt ist.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalelemente (104, 112; 204, 212; 304; 404, 412) als vorgefertigte Teile ausgebildet sind.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kanalelement (304; 404, 412) einen flachen, insbesondere rechteckigen Querschnitt hat.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Baugruppen aus jeweils einem thermoelektrischen Modul (10), einem auf der Hochtemperaturseite angeordneten ersten Kanalelement (404) und einem auf der Niedertemperaturseite angeordneten zweiten Kanalelement (412) vorgesehen sind, die durch das elastische Ausgleichselement (20) voneinander getrennt und durch das elastische Ausgleichselement (20) vorgespannt im Generatorgehäuse (402) geklemmt sind.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass am Generatorgehäuse (302) außenseitig Kühlrippen (332) vorgesehen sind.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere thermoelektrische Module (10) zur Bildung einer plattenförmigen Schicht () nebeneinander angeordnet sind.
Thermoelektrische Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (10) Teil einer Baugruppe nach einem der Ansprüche 4 bis 11 ist.
Abgasleitungsvorrichtung, insbesondere für eine Verbrennungskraftmaschine, mit einer Abgasleitung und wenigstens einer in der Abgasleitung angeordneten, abgasdurchströmten thermoelektrischen Generatoreinheit (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der Ansprüche 12 bis 30.
Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatoreinheit nach einem der Ansprüche 13 bis 30, mit den Schritten: Bereitstellen eines Generatorgehäuses (102), Umwickeln der Kanalelemente (104, 112; 204, 212) und des wenigstens einen thermoelektrischen Moduls (10) mit dem elastischen Ausgleichselement (20) zur Bildung einer Baugruppe, und Einbringen der Baugruppe in das Generatorgehäuse (102), so dass die Baugruppe vom Generatorgehäuse (102) umschlossen und im Generatorgehäuse (102) geklemmt ist.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass das Generatorgehäuse (102) rohrförmig ist und das Einbringen der Baugruppe in das Generatorgehäuse (102) durch Stopfen der Baugruppe in das Generatorgehäuse (102) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäusemantel bereitgestellt wird und die Baugruppe mit dem Gehäusemantel umwickelt wird, so dass ein geschlossenes Generatorgehäuse (102) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Baugruppe in das Generatorgehäuse (102) eingeschoben wird und dieses anschließend von außen plastisch einwärts verformt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kalibrierschritt vorgesehen ist, bei dem der Gehäusedurchmesser verändert, insbesondere reduziert, wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass Daten der zu verbauenden Baugruppe ermittelt werden, die Aussagen über das Volumen, die Elastizität oder Festigkeit der Baugruppe oder einzelner ihrer Bauteile zulassen, und dass abgestimmt auf diese Daten das Generatorgehäuse (102) individuell hergestellt wird, um eine gewünschte Klemmkraft zu erzeugen.