DE102010007420A1 - Device for converting thermal power into electrical power, has heat exchangers made of highly conductive materials, where reverse energy flow takes place from heat accumulator to heat source to generate electric and/or electric voltage - Google Patents

Device for converting thermal power into electrical power, has heat exchangers made of highly conductive materials, where reverse energy flow takes place from heat accumulator to heat source to generate electric and/or electric voltage Download PDF

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Stefan 02999 Schwamberger
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    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Abstract

The device has a conversion element (3) i.e. Peltier element, thermally connected with a heat source (1) e.g. heating element, heat collector, cooling body and a heat accumulator (4). Heat exchangers (5, 6) made of highly conductive materials are arranged between the conversion element and the heat accumulator. A reverse energy flow takes place from the heat accumulator to the heat source with a negatively temperature difference between the heat source and the heat accumulator to generate an electric current and/or an electric voltage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, mit einem Wandlerelement, das mit einer diskontinuierlichen Wärmequelle und einer Wärmesenke thermisch leitend verbunden ist, wobei bei eingeschalteter Wärmequelle ein Energiefluss von der Wärmequelle durch das Wandlerelement zur Wärmesenke stattfindet, wodurch in dem Wandlerelement ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung generiert wird.The invention relates to a device for the conversion of thermal energy into electrical energy, comprising a transducer element which is thermally conductively connected to a discontinuous heat source and a heat sink, wherein when the heat source is turned on, an energy flow from the heat source through the transducer element takes place to the heat sink, thereby the converter element, an electrical current and / or an electrical voltage is generated.

Die Umwandlung von thermischer in elektrische Energie stellt eine Form des sogenannten energy harvesting (dt. Energie Ernte) dar. Die Idee hinter energy harvesting ist die autarke Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Energie durch die Umwandlung einer oder mehrerer in der Umgebung vorhandenen Energiearten, wie Wärmeenergie, Bewegungsenergie oder elektromagnetische Feldenergie. Die Energieumwandlung geschieht dabei in der Regel im Verbraucher, beispielsweise einem Sensor, einer Steuerung oder einem beliebigen anderen elektrischen Gerät, selbst.The conversion of thermal energy into electrical energy is a form of so-called energy harvesting. The idea behind energy harvesting is the self-sufficient supply of electrical energy to a consumer through the conversion of one or more types of energy present in the environment, such as thermal energy , Kinetic energy or electromagnetic field energy. The energy conversion is done usually in the consumer, such as a sensor, a controller or any other electrical device, even.

Eine solche Vorrichtung ist beispielhaft in 1 gezeigt. Dabei ist eine beliebige Wärmequelle 1, beispielsweise eine Leistungselektronik oder ein Verbrennungsmotor, mit einem Kühlkörper 2 verbunden. Zwischen Wärmequelle 1 und Kühlkörper 2 ist ein Wandlerelement 3 angeordnet, beispielsweise ein Peltier-Element. Die Wärme strömt von der Wärmequelle 1 durch das Wandlerelement 3 zum Kühlkörper 2. Im Wandlerelement 3 wird ein Teil der Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt. Die restliche Wärmeenergie wird im Kühlkörper 2 an das umgebende Medium, beispielsweise Wasser oder Luft, abgegeben.Such a device is exemplary in 1 shown. This is any heat source 1 , For example, a power electronics or an internal combustion engine, with a heat sink 2 connected. Between heat source 1 and heat sink 2 is a transducer element 3 arranged, for example, a Peltier element. The heat flows from the heat source 1 through the transducer element 3 to the heat sink 2 , In the transducer element 3 Part of the heat energy is converted into electrical energy. The remaining heat energy is in the heat sink 2 delivered to the surrounding medium, for example water or air.

Dies funktioniert gut, bei kontinuierlichen Wärmequellen, die im Wesentlichen immer an sind, was jedoch selten der Fall ist. Viel häufiger sind diskontinuierliche Wärmequellen, die beispielsweise nur periodisch oder unregelmäßig eingeschaltet sind. Solche diskontinuierlichen Wärmequellen sind beispielsweise Heizkörper mit Nachtabsenkung, die Sonne im Tag und Nacht Zyklus, elektrische Maschinen, die nur kurzzeitig laufen oder Geräte, die in die Hand genommen werden. Ein Wandlerelement an einer solchen Wärmequelle stellt nur elektrische Energie bereit, solange die Wärmequelle eingeschaltet ist. Ein elektrischer Verbraucher, der kontinuierlich mit elektrischer Energie versorgt werden muss kann damit nicht betrieben werden.This works well, with continuous heat sources that are essentially always on, which is rarely the case. Much more common are discontinuous heat sources that are turned on, for example, only periodically or irregularly. Such discontinuous heat sources include, for example, night-time heaters, the sun during the day and night cycle, electrical machines that run only for a short time, or devices that are picked up. A transducer element on such a heat source provides only electrical energy as long as the heat source is turned on. An electrical consumer that needs to be continuously supplied with electrical energy can not be operated with it.

Aufgabe der Erfindung ist es daher eine Vorrichtung der vorgenannten Art zu schaffen, die im Wesentlichen kontinuierlich elektrische Energie bereitstellt, insbesondere auch bei ausgeschalteter Wärmequelle.The object of the invention is therefore to provide a device of the aforementioned type, which provides electrical energy substantially continuously, in particular even when the heat source is switched off.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wärmesenke als Wärmespeicher ausgebildet ist, der sich bei aktiver oder eingeschalteter Wärmequelle auflädt, also bei einem positiven Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Wärmesenke, und dass bei ausgeschalteter Wärmequelle, also bei einem negativen Temperaturunterschied zwischen Warmequelle und Wärmesenke, ein umgekehrter Energiefluss von dem Wärmespeicher durch das Wandlerelement zur Wärmequelle stattfindet und dadurch ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung generiert wird.This object is achieved in that the heat sink is designed as a heat storage, which charges when the heat source is active or switched, ie at a positive temperature difference between the heat source and heat sink, and that when the heat source is switched off, ie at a negative temperature difference between the heat source and heat sink, a reverse flow of energy from the heat storage by the transducer element to the heat source takes place and thereby an electric current and / or an electrical voltage is generated.

Thermische Wandlerelemente, wie Peltier-Elemente, haben einen sehr geringen Wirkungsgrad unter 10%. Das heißt 90% der Warmeenergie, die durch das Wandlerelement fließt geht in der Regel ungenutzt verloren. Erfindungsgemäß wird diese thermische Energie nun in dem Wärmespeicher gespeichert. Bei ausgeschalteter Wärmequelle wird von dieser thermischen Energie nochmals elektrische Energie gewonnen. Durch diese Zwei-Wege Wandlung steht praktisch kontinuierlich und unterbrechungsfrei elektrische Energie zur Verfügung.Thermal transducer elements, such as Peltier elements, have a very low efficiency below 10%. That is 90% of the heat energy flowing through the transducer element is usually lost unused. According to the invention, this thermal energy is now stored in the heat storage. When the heat source is switched off, electrical energy is gained again from this thermal energy. Through this two-way conversion is virtually continuous and uninterrupted electrical energy available.

Der Wärmespeicher weist vorzugsweise eine hohe Wärmespeicherzahl auf, damit er möglichst klein ist und/oder möglichst lange Aus-Zeiten der Wärmequelle überbrücken kann. Geeignete Materialien sind beispielsweise Kupfer, Stahl, Gusseisen und Nickel.The heat storage preferably has a high heat storage number, so that it is as small as possible and / or as long as possible off times of the heat source can bridge. Suitable materials include copper, steel, cast iron and nickel.

Damit möglichst wenig gespeicherte thermische Energie durch Abstrahlung verloren geht, ist der Wärmespeicher vorzugsweise kugelförmig ausgebildet und/oder weist eine thermische Isolierung zur Umgebung auf.So that as little as possible stored thermal energy is lost by radiation, the heat storage is preferably spherical and / or has a thermal insulation to the environment.

Prinzipiell ist es möglich das Wandlerelement unmittelbar mit dem Wärmespeicher und der Wärmequelle zu verbinden. Es kann jedoch vorteilhaft sein, wenn zwischen Wandlerelement und Wärmequelle und/oder zwischen Wandlerelement und Wärmespeicher ein Wärmetauscher aus hochwärmeleitfähigem Material, beispielsweise Aluminium, Silber oder Bornitrid, angeordnet ist. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Kontaktflächen zwischen den einzelnen Komponenten mit einem Wärmeleitmaterial bedeckt oder beschichtet sind, das eventuelle Unebenheiten ausgleicht und Lufteinschlüsse verhindert.In principle, it is possible to connect the transducer element directly to the heat storage and the heat source. However, it may be advantageous if between the transducer element and the heat source and / or between the transducer element and the heat accumulator, a heat exchanger made of hochwärmeleitfähigem material, such as aluminum, silver or boron nitride, is arranged. Furthermore, it is expedient if the contact surfaces between the individual components are covered or coated with a heat conducting material which compensates for any unevenness and prevents air pockets.

Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmespeicher nur eine Kontaktstelle zum Wandlerelement aufweist. Das heißt in einem System mit mehreren Wandlerelementen hat jedes Wandlerelement einen eigenen Wärmespeicher. Selbstverständlich sind auch Systeme denkbar, die einen sehr großen Wärmespeicher haben, der über mehrere Wandlerelemente bedient wird.A preferred embodiment of the invention provides that the heat accumulator has only one contact point to the transducer element. That is, in a system having multiple transducer elements, each transducer element has its own heat storage. Of course, systems are also conceivable have a very large heat storage, which is operated by several transducer elements.

Das Wandlerelement weist zweckmäßigerweise wenigstens ein Peltier-Element oder pyroelektrisches Element auf. Um die Spannung zu erhöhen, können auch mehrere Peltier-Elemente kaskadiert angeordnet werden.The transducer element expediently has at least one Peltier element or pyroelectric element. To increase the voltage, several Peltier elements can be arranged in cascade.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert sind.Further advantageous features of the invention will become apparent from the exemplary embodiments, which are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.

Es zeigt:It shows:

1 eine Vorrichtung mit einer Wärmequelle, einem Wandlerelement und einem Kühlkörper als Wärmesenke gemäß dem Stand der Technik, 1 a device with a heat source, a transducer element and a heat sink as a heat sink according to the prior art,

2 eine Vorrichtung mit einer Wärmequelle, einem Wandlerelement und einem Wärmespeicher als Wärmesenke gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung, 2 a device with a heat source, a transducer element and a heat accumulator as a heat sink according to a first embodiment of the invention,

3 eine weitere Ausführung der Erfindung mit einem Kühlkörper zur Aufnahme der Umgebungswärme als Wärmequelle und 3 a further embodiment of the invention with a heat sink for receiving the ambient heat as a heat source and

4 eine Detailansicht des Wandlerelements mit Wärmeleitmetall zwischen den Kontaktflächen zu den Wärmetauschern, 4 a detailed view of the transducer element with heat conducting metal between the contact surfaces to the heat exchangers,

5 eine weitere Ausführung der Erfindung mit einer Hülse über der thermischen Isolierung als Wärmesammler zur Aufnahme der Umgebungswärme. 5 a further embodiment of the invention with a sleeve over the thermal insulation as a heat collector for receiving the ambient heat.

Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die im Wesentlichen einen Wärmespeicher 4, ein Wandlerelement 3 und zwei Wärmetauscher 5, 6 aufweist.The 2 shows a device according to the invention, which is essentially a heat storage 4 , a transducer element 3 and two heat exchangers 5 . 6 having.

Ein erster Wärmetauscher 5 ist so ausgebildet, dass er mit einer externen Wärmequelle 1 in thermischen Kontakt bringbar ist. Eine solche Wärmequelle 1 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor, ein Heizkörper oder ein Halbleiterschaltkreis sein. Insbesondere ist die Wärmequelle 1 diskontinuierlich, das heißt nicht dauernd an.A first heat exchanger 5 is designed to work with an external heat source 1 can be brought into thermal contact. Such a heat source 1 may be, for example, an internal combustion engine, a radiator or a semiconductor circuit. In particular, the heat source 1 discontinuous, that does not mean constantly.

Der erste Wärmetauscher 5 ist weiterhin thermisch leitend mit einer aktiven Seite des Wandlerelements 3 verbunden. Das Wandlerelement 3 ist beispielsweise ein Peltier-Element. Anstelle des Peltier-Elements 3 kann auch ein anderes Wandlerelement eingesetzt werden, das thermische in elektrische Energie umwandeln kann, beispielsweise basierend auf dem Thomson- oder Seebeck-Effekt. Es können auch mehrere Wandlerelemente parallel oder seriell zusammengeschaltet werden.The first heat exchanger 5 is also thermally conductive with an active side of the transducer element 3 connected. The transducer element 3 is for example a Peltier element. Instead of the Peltier element 3 It is also possible to use another transducer element which can convert thermal into electrical energy, for example based on the Thomson or Seebeck effect. It is also possible to connect several transducer elements in parallel or in series.

Die andere aktive Seite des Peltier-Elements 3 ist mit einem zweiten Wärmetauscher 6 thermisch leitend verbunden.The other active side of the Peltier element 3 is with a second heat exchanger 6 connected thermally conductive.

Die Wärmetauscher 5, 6 bestehen vorzugsweise aus einem Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit, damit die thermische Energie möglichst ungehindert transportiert wird. Beim Wärmetauscher spielt die Wärmekapazität keine Rolle. Geeignete Materialien sind beispielsweise Metalle wie Aluminium oder Kupfer oder Keramiken wie Siliziumcarbid und insbesondere Bornitrid, das in seiner kubischen Konfiguration gegenüber Kupfer eine fünffach höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt.The heat exchangers 5 . 6 are preferably made of a material with very good thermal conductivity, so that the thermal energy is transported as freely as possible. The heat capacity of the heat exchanger does not matter. Suitable materials are, for example, metals such as aluminum or copper or ceramics such as silicon carbide and in particular boron nitride, which has a fivefold higher thermal conductivity in its cubic configuration than copper.

Der zweite Wärmetauscher 6 ist weiterhin thermisch leitend mit einem Wärmespeicher 4 verbunden. Der Wärmespeicher 4 ist vorzugsweise als massiver Körper ausgebildet, der eine sehr hohe Wärmespeicherzahl besitzt. Vorzugsweise hat der Wärmespeicher 4 eine möglichst gute Temperaturleitfähigkeit, so dass sich die Wärme möglichst schnell im gesamten Körper 4 verteilt. Geeignete Materialien für den Körper 4 sind beispielsweise einfacher Baustahl, Gusseisen, Nickel oder Kupfer. Bei großen Temperaturdifferenzen können die Wärmetauscher beispielsweise auch sogenannte Heatpipes aufweisen.The second heat exchanger 6 is still thermally conductive with a heat storage 4 connected. The heat storage 4 is preferably formed as a solid body, which has a very high heat storage number. Preferably, the heat storage 4 a very good thermal conductivity, so that the heat as quickly as possible throughout the body 4 distributed. Suitable materials for the body 4 are, for example, simple structural steel, cast iron, nickel or copper. For large temperature differences, the heat exchangers may for example also have so-called heat pipes.

Zur Minimierung der abstrahlfähigen Oberfläche in Bezug auf das Volumen, ist der Wärmespeicher 4 vorzugsweise kugelförmig ausgebildet. Um die Wärmeverluste durch Abstrahlung an die Umgebung weiter zu minimieren, ist der Wärmespeicher 4 zusätzlich mit einer thermischen Isolierung 7 umgeben. Die Isolierung 7 schützt den Wärmespeicher zusätzlich vor dem Eintrag von thermischer Energie aus der Umgebung, die nicht zuvor durch das Wandlerelement 3 geflossen ist. Diese thermische Isolierung 7 besteht beispielsweise aus Styropor oder einer anderen im Stand der Technik hinreichend bekannten thermischen Dämmung. Die Isolierung 7 umfasst im Beispiel auch das Peltier-Element 3 und den Wärmetauscher 6. Vorzugsweise hat der Wärmespeicher 4 nur eine Kontaktstelle zu einem Wärmetauscher 6.To minimize the radiative surface in relation to the volume, is the heat storage 4 preferably spherical. In order to further minimize the heat losses by radiation to the environment, is the heat storage 4 in addition with a thermal insulation 7 surround. The insulation 7 additionally protects the heat accumulator from the entry of thermal energy from the environment, not previously by the transducer element 3 flowed. This thermal insulation 7 For example, it consists of styrofoam or other well-known in the art thermal insulation. The insulation 7 in the example also includes the Peltier element 3 and the heat exchanger 6 , Preferably, the heat storage 4 only one contact point to a heat exchanger 6 ,

An den thermischen Kontaktflächen zwischen allen Komponenten der Vorrichtung kann jeweils ein hochwärmeleitfähiges Material angeordnet sein, das den thermischen Kontakt zwischen den Kontaktflächen verbessert. Dieses Material gleicht hauptsächlich Unebenheiten auf den Oberflächen aus und verhindert, dass isolierende Luftpolster zwischen den Kontaktflächen eingeschlossen werden. Ein solches Material kann beispielsweise Wärmeleitpaste sein, wie sie im Halbleiterbereich verwendet wird. Eine bessere Wärmeleitung wird jedoch beispielsweise mit Indium-Wärmeleitmetall erzielt, das bei Raumtemperatur sehr weich ist und durch Druck praktisch mit den Kontaktflächen verschweißt oder das bei Temperaturen um 160° Celsius mit den Kontaktflächen verlötet werden kann.At the thermal contact surfaces between all components of the device, in each case a highly heat-conductive material may be arranged, which improves the thermal contact between the contact surfaces. This material mainly compensates for unevenness on the surfaces and prevents insulating air pockets from being trapped between the contact surfaces. Such a material may be, for example, thermal grease, as used in the semiconductor field. However, a better heat conduction will achieved, for example, with indium heat conduction, which is very soft at room temperature and welded by pressure practically with the contact surfaces or can be soldered at temperatures around 160 ° C with the contact surfaces.

Eine solche Anordnung ist beispielhaft in 4 gezeigt. Zwischen den Wärmetauschern 5 und 6 und dem Peltier-Element 3 ist jeweils ein Wärmeleitmaterial 9 angeordnet. Um den Wärmewiderstand möglichst gering zu halten, ist das Wärmeleitmaterial 9 möglichst dünn ausgebildet, insbesondere im Submillimeterbereich. Im Beispiel ist das Wärmeleitmaterial 9 zur Veranschaulichung stark übertrieben dargestellt.Such an arrangement is exemplary in 4 shown. Between the heat exchangers 5 and 6 and the Peltier element 3 is each a Wärmeleitmaterial 9 arranged. In order to keep the thermal resistance as low as possible, is the heat conduction material 9 as thin as possible, especially in the sub-millimeter range. In the example, the heat conduction material 9 for illustration greatly exaggerated.

Vorzugsweise bedeckt das Wärmeleitmaterial 9 die Kontaktflächen des Peltier-Elements 3 vollständig oder steht sogar über diese hinaus, um die bestmögliche Wärmeleitung zu erreichen. Alternativ können auch ein oder beide Wärmetauscher vollständig aus dem Wärmeleitmaterial, insbesondere Indium, bestehen.Preferably, the heat-conducting material covers 9 the contact surfaces of the Peltier element 3 complete, or even beyond, to achieve the best possible heat conduction. Alternatively, one or both heat exchangers can be made entirely of the heat-conducting material, in particular indium.

Zur Verbesserung der Wärmeleitung kann der Wärmespeicher 4 auch einteilig mit dem zweiten Wärmetauscher 6 ausgeführt sein. Generell ist es von Vorteil in dem Gesamtsystem möglichst viele Komponenten einteilig auszuführen.To improve the heat conduction of the heat storage 4 also in one piece with the second heat exchanger 6 be executed. In general, it is advantageous to carry out as many components as possible in one piece in the overall system.

Bei eingeschalteter Wärmequelle 1 fließt Wärmeenergie durch das Peltier-Element 3 in den Wärmespeicher 4. Dabei wandelt das Peltier-Element 3 einen Teil der thermischen Energie in elektrische Energie um. Die restliche thermische Energie wird jedoch nicht wie im Stand der Technik einfach an die Umgebung abgegeben sondern gelangt über den zweiten Wärmetauscher 6 in den Wärmespeicher 4.When the heat source is switched on 1 heat energy flows through the Peltier element 3 in the heat storage 4 , The Peltier element transforms 3 convert some of the thermal energy into electrical energy. However, the residual thermal energy is not simply released to the environment as in the prior art but passes through the second heat exchanger 6 in the heat storage 4 ,

Wird nun die Wärmequelle 1 ausgeschaltet, kehren sich die Wärmeverhältnisse des Gesamtsystems um. Das heißt der Wärmespeicher 4 hat nun eine höhere Temperatur als die Wärmequelle 1. Aufgrund des nun umgekehrten Temperaturgradienten, fließt Wärmeenergie aus dem Wärmespeicher 4 durch das Peltier-Element 3 zurück zur Wärmequelle 1 und wird dort an die Umgebung abgegeben. Dabei wird im Peltier-Element 3 ebenfalls ein Teil der thermischen Energie in elektrische Energie umgewandelt. Auf diese Weise steht ein einfaches System zur Verfügung, das kontinuierlich elektrische Energie bereitstellen kann, unabhängig davon, ob die Wärmequelle an- oder ausgeschaltet ist. Das Wandlerelement kann mit einem Aufwärtsregler kombiniert werden, so dass schon geringe Temperaturdifferenzen ausreichen um eine Spannung von einigen Volt zu generieren.Will now be the heat source 1 switched off, the heat conditions of the entire system are reversed. That is the heat storage 4 now has a higher temperature than the heat source 1 , Due to the now reversed temperature gradient, heat energy flows from the heat storage 4 through the Peltier element 3 back to the heat source 1 and is there delivered to the environment. This is in the Peltier element 3 also converted a part of the thermal energy into electrical energy. In this way, a simple system is available that can continuously provide electrical energy, regardless of whether the heat source is on or off. The transducer element can be combined with an up-converter, so that even small temperature differences are sufficient to generate a voltage of a few volts.

Dies funktioniert jedoch nur, solange eine Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle 1 und Wärmespeicher 4 beziehungsweise zwischen Wärmespeicher 4 und Umgebung besteht. Es ist daher zweckmäßig, die Wärmekapazität und die Isolierung 7 des Wärmespeichers 4 an die zu erwartende Aus-Zeit der Wärmequelle 1 sowie an die benötigte elektrische Energiemenge anzupassen, so dass die Aus-Zeit vollständig überbrückt werden kann.However, this only works as long as a temperature difference between heat source 1 and heat storage 4 or between heat storage 4 and environment exists. It is therefore appropriate, the heat capacity and the insulation 7 the heat storage 4 to the expected off-time of the heat source 1 as well as to adapt to the required amount of electrical energy, so that the off-time can be completely bypassed.

In 3 ist eine weitere Ausführung der Erfindung gezeigt, wobei der erste Wärmetauscher 5 nicht mit einer externen Wärmequelle sondern mit einem Wärmesammler 8 mit einer verzweigten Rippenstruktur verbunden. Der Wärmesammler 8 nimmt Wärmeenergie aus dem umgebenden Medium, beispielsweise Luft oder Wasser, auf. Dazu hat der Wärmesammler 8 eine möglichst große Oberfläche, die in thermischen Kontakt mit dem Umgebungsmedium steht und vorzugsweise eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so beispielsweise in einem Raum beliebig platziert werden. Als Anwendungsbeispiel sei hier ein Wohnzimmer genannt, das tagsüber geheizt wird und nachts abkühlt. Durch Auslegung des Wärmespeichers auf diesen 24-Stunden-Zyklus kann sichergestellt werden, dass kontinuierlich elektrische Energie bereit steht. Der Verbraucher könnte hier ein Raumthermostat zur Regelung der Heizung sein. Andere Anwendungen können auch kürzere oder längere Zyklen aufweisen.In 3 a further embodiment of the invention is shown, wherein the first heat exchanger 5 not with an external heat source but with a heat collector 8th connected to a branched rib structure. The heat collector 8th absorbs heat energy from the surrounding medium, such as air or water. This has the heat collector 8th a surface as large as possible, which is in thermal contact with the surrounding medium and preferably a good thermal conductivity. The device according to the invention can thus be arbitrarily placed in a room, for example. As an application example here is a living room called, which is heated during the day and cools at night. By designing the heat accumulator for this 24-hour cycle, it can be ensured that electrical energy is available on a continuous basis. The consumer could here be a room thermostat to control the heating. Other applications may also have shorter or longer cycles.

Die 5 zeigt eine Weiterführung der Ausführung der 3. Der Aufbau ist entsprechend der obigen Beschreibung mit dem Unterschied, dass der Wärmesammler 8' keine verzweigte Rippenstruktur aufweist. Der Wärmesammler 8' umgibt die Isolierung 7 als Hülse. Dadurch lässt sich das Gesamtsystem kompakter gestalten und der Wärmesammler 8' fungiert zudem als Schutz und Fixierung für die Isolierung 7. Um eine möglichst große Oberfläche zu erhalten ist es von Vorteil, wenn der Wärmesammler 8' an seiner Außenfläche strukturiert ist. Dabei kann die Struktur makro- aber auch mikroskopisch ausgeführt sein. Eine mikroskopische Strukturierung bietet den Vorteil die Oberfläche immens vergrößern zu können, bei nahezu gleich bleibenden Außenmaßen.The 5 shows a continuation of the execution of 3 , The structure is according to the above description with the difference that the heat collector 8th' does not have a branched rib structure. The heat collector 8th' surrounds the insulation 7 as a sleeve. This makes the overall system more compact and the heat collector 8th' also acts as protection and fixation for the insulation 7 , To get the largest possible surface, it is advantageous if the heat collector 8th' is structured on its outer surface. The structure may be macro- but also microscopic. A microscopic structuring offers the advantage of being able to enlarge the surface immensely, with almost constant external dimensions.

Zudem reicht in dieser Ausgestaltung der Wärmetauscher 6 weit in den Wärmespeicher 4 hinein, so dass die Kontaktfläche vergrößert wird und sich damit der Wärmewiderstand beim Übergang verringert. In einer vorteilhaften Weiterführung der Erfindung können der Wärmetauscher und der Wärmespeicher einteilig ausgeführt sein.In addition, in this embodiment, the heat exchanger is sufficient 6 far into the heat storage 4 in, so that the contact area is increased and thus reduces the thermal resistance during the transition. In an advantageous embodiment of the invention, the heat exchanger and the heat storage can be made in one piece.

Die beschriebenen Ausführungen und Anwendungen sind lediglich Beispiele, die den Schutzumfang der Erfindung in keiner Weise einschränken.The described embodiments and applications are merely examples which in no way limit the scope of the invention.

Neben den hier aufgeführten beispielhaften Ausführungen, Beispielen und Materialien sind noch viele andere denkbar, weshalb die Anmeldung keineswegs auf diese beschränkt ist.In addition to the exemplary embodiments, examples and materials listed here, many others are conceivable, which is why the application is by no means limited to these.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Wärmequelleheat source
22
Kühlkörperheatsink
33
Wandlerelement (Peltier-Element)Transducer element (Peltier element)
44
Wärmespeicherheat storage
55
Wärmetauscherheat exchangers
66
Wärmetauscherheat exchangers
77
thermische Isolierungthermal insulation
8, 8'8, 8 '
Wärmesammlerheat collector
99
Wärmeleitmaterialthermal interface material

Claims (9)

Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, mit einem Wandlerelement (3), das mit einer diskontinuierlichen Wärmequelle (1; 8; 8') und einer Wärmesenke (2; 4) thermisch leitend verbunden ist, wobei bei einem positiven Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle (1; 8) und Wärmesenke (2; 4) ein Energiefluss von der Wärmequelle (1; 8; 8') durch das Wandlerelement (3) zur Wärmesenke (2; 4) stattfindet, wodurch in dem Wandlerelement (3) ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung generiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke als Wärmespeicher (4) ausgebildet ist und dass bei einem negativen Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle (1; 8; 8') und Wärmesenke (2; 4) ein umgekehrter Energiefluss von dem Wärmespeicher (4) durch das Wandlerelement (3) zur Wärmequelle (1; 8; 8') stattfindet und dadurch ein elektrischer Strom und/oder eine elektrische Spannung generiert wird.Device for converting thermal energy into electrical energy, comprising a transducer element ( 3 ) with a discontinuous heat source ( 1 ; 8th ; 8th' ) and a heat sink ( 2 ; 4 ) is thermally conductively connected, wherein at a positive temperature difference between the heat source ( 1 ; 8th ) and heat sink ( 2 ; 4 ) an energy flow from the heat source ( 1 ; 8th ; 8th' ) through the transducer element ( 3 ) to the heat sink ( 2 ; 4 ), whereby in the transducer element ( 3 ) an electrical current and / or an electrical voltage is generated, characterized in that the heat sink as a heat storage ( 4 ) is formed and that at a negative temperature difference between heat source ( 1 ; 8th ; 8th' ) and heat sink ( 2 ; 4 ) a reverse flow of energy from the heat storage ( 4 ) through the transducer element ( 3 ) to the heat source ( 1 ; 8th ; 8th' ) takes place and thereby an electric current and / or an electric voltage is generated. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (4) eine hohe Wärmespeicherzahl aufweist.Apparatus according to claim 1, characterized in that the heat storage ( 4 ) has a high heat storage number. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (4) eine thermische Isolierung (7) gegen die Umgebung aufweist.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the heat storage ( 4 ) a thermal insulation ( 7 ) against the environment. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Wandlerelement (3) und Wärmequelle (1; 8; 8') und/oder zwischen Wandlerelement (3) und Wärmespeicher (4) ein Wärmetauscher (5, 6) aus hochwärmeleitfähigem Material angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that between transducer element ( 3 ) and heat source ( 1 ; 8th ; 8th' ) and / or between transducer element ( 3 ) and heat storage ( 4 ) a heat exchanger ( 5 . 6 ) is arranged made of highly heat conductive material. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (4) im Wesentlich kugelförmig ausgebildet ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the heat storage ( 4 ) is formed substantially spherical. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (2; 4) räumlich innerhalb der Wärmequelle (8; 8') angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink ( 2 ; 4 ) spatially within the heat source ( 8th ; 8th' ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (4) nur eine Kontaktstelle zum Wandlerelement (3) aufweist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the heat storage ( 4 ) only one contact point to the transducer element ( 3 ) having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerelement (3) wenigstens ein Peltier-Element aufweist.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the transducer element ( 3 ) has at least one Peltier element. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kontaktflächen der einzelnen Komponenten jeweils ein Wärmeleitmaterial (9) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that between the contact surfaces of the individual components in each case a heat conducting material ( 9 ) is arranged.
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