DE102010014936B4

DE102010014936B4 - Gleitschlitten für Peltier-Elemente und dessen Verwendung in einem modular aufgebauten Thermogenerator

Info

Publication number: DE102010014936B4
Application number: DE102010014936A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: D & K Solar GmbH
Current assignee: D & K Solar GmbH
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: DE102010014936A1

Abstract

Gleitschlitten (2) für Peltier-Elemente (1), umfassend zwei identische Profilstücke (2.1, 2.2), die jeweils eine mit wärmetauschenden Profilrippen versehene Seite und eine flache Seite aufweisen, wobei zwischen die flachen Seiten der zwei identischen Profilstücke (2.1, 2.2) ein Peltier-Element (1) mit seiner Oberseite und Unterseite fest eingeklemmt ist.

Description

Hier soll ein Gleitschlitten für Peltier-Elemente vornehmlich im modular aufgebauten Thermogenerator patentiert werden.
Wie in der Patenschrift DE 10 2009 005 382 B3 beschrieben, werden die Peltier-Elemente in einem im Wesentlichen aus Aluminiumplatten und Verbindungshülsen aufgebauten Thermogenerator gelagert.
Die Keramikgehäuse der Peltier-Elemente sind relativ empfindlich gegenüber Druck und vor allem Reibungsbeanspruchung.
Da sich die Aluminiumplatten des modular aufgebauten Thermogenerators aufgrund der sehr hohen Temperaturdifferenzen (bis zu 250 Kelvin) in ihrer Längsrichtung um ca. 0,3% ihrer Länge ausdehnen bzw. kontraktieren können, hat dies Auswirkung auf die Oberflächenbeanspruchung der Peltier-Elemente. Die Peltier-Elemente werden an ihren Oberflächen gerieben, so dass es in Einzelfällen zu deren Zerbersten kommen kann. Bei der angestrebten großen Anzahl an Peltier-Elementen im modular aufgebauten Thermogenerator hat dies Auswirkung auf die Gesamtleistung des Thermogenerators, denn ein defektes Peltier-Element zieht den Stromertrag der anderen Elemente mit herunter.
Die im Folgenden beschriebenen Gleitschlitten haben folgende Funktionen:

1. Die Reibungsbeanspruchung der Peltier-Elemente wird mit Hilfe der sogenannten Gleitschlitten unterbunden. Das heißt, hier wird die Bewegung der in den Gleitern einzeln eingebetteten Peltier-Elemente in Längsrichtung parallel zu den Aluminium-Wärmetauscher-Platten, als auch geringfügig in Querrichtung ermöglicht.
2. Die Gleitschlitten (2) bestehen aus einer warmen Seite (2.1) und einer kalten Seite (2.2) mit Rippen, die die Wärme tauschen (siehe 1). Diese Rippen haben eine große Oberfläche und sind deshalb gute Wärmetauscher.
3. Die Gleitschlitten (2) eignen sich sowohl für den Einsatz in dem modular aufgebauten Thermogenerator als auch für die Anbindung an jegliche andere Wärmequelle und Kältequelle, wie zum Beispiel für die Anbindung an ein Abgasrohr, an einen Pufferspeicher oder in Heizungsbrennräume. Eine Seite des Gleiters kann als Kühlseite durch Luft- oder Wasserkühlung genutzt werden.

Der Aufbau der Gleitschlitten (2) ist im Folgenden beschrieben:
Die sogenannten Gleitschlitten bestehen aus einem gut wärmeleitenden Material, beispielsweise Aluminium, aber auch andere Materialien können hier verwand werden.
Die Gleitschlitten bestehen aus Wärmetauscher-Profilen (siehe 2, Ansicht A oder Ansicht B oder Ansicht C). Die unterschiedlichen Profile sind an den Verwendungszweck angepasst.
Jedes einzelne Peltier-Element (1) ist fest zwischen zwei Profilstücken, eine an der Oberseite (warme Seite, 2.1) und eine an der Unterseite (kalte Seite, 2.2) eingeklemmt.
Die Profilstücke stehen an der rechten und linken Seite des Peltier-Elementes soweit über, dass diese mit zwei Verbindungselementen (5), z. B. Schraube oder Feder fest verbunden werden. Sie werden jeweils mit dem gleichen Drehmoment angezogen, so dass die Peltier-Elemente gleichmäßigem Druck ausgesetzt sind. Die so im Gleitschlitten (2) eingebetteten Peltier-Elemente (1) werden nun auf die Gleitschienen (3.1, 3.2) in Reihe angeordnet. Die Gleitschienen (3.1, 3.2) bestehen ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material und sind das passende Gegenprofil zum Gleitschlitten (2).
Die Gleitschlitten (2) und die Gleitschienen (3.1, 3.2) können an ihren Innenseiten mit Wärmeleitpaste (4) bestrichen werden. Dies ermöglicht einen besseren Wärmeübergang zwischen den einzelnen Gleitschlitten (2) und den Gleitschienen (3.1, 3.2).
Da die Gleitschlitten (2) und Gleitschienen (3.1, 3.2) einen Platzbedarf zwischen den Aluminium-Wärmetauscherplatten des modular aufgebauten Thermogenerators sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung haben, ist es notwendig den Aufbau des Thermogenerators entsprechend anzupassen.
Aufgrund der in der Patentschrift DE 10 2009 005 382 B3 beschriebenen modularen Bauweise kann die Größe des Thermogenerators einfach erweitert werden.
Wie in der Patentschrift DE 10 2009 005 382 B3 beschrieben, ist auch der Vorteil des leichten Ein- und Ausbaus der einzelnen Peltier-Elemente weiterhin gewährleistet.
Der in der Patentschrift DE 10 2009 005 382 B3 beschriebene Vorteil des Thermogenerators des Einsatz für sämtliche Medien z. B. Rauchgas, Wasser oder Glykol ist weiterhin gegeben.
Ein weiterer Vorteil ist, dass nur wenige einfache Bauteile zum Einsatz kommen.
Die Patentschrift US 4 730 459 A behandelt die optimale Anordnung vieler einzelner thermoelektrischer Elemente in Bezug auf die Erzielung hoher Leistung. Hier wird auf die unterschiedlichen Verbindungsstücke (4a, 4b, 6a, 6b) eingegangen, um eine optimale Anordnung der thermoelektrischen Elemente sicher zustellen. Die thermoelektrischen Elemente vom n-Typ und p-Typ werden elektrisch in Serie geschaltet und in Bezug auf die Wärmequelle thermisch parallel geschaltet. Diese Patentschrift geht jedoch nicht auf die Empfindlichkeit der thermoelektrischen Elemente und deren thermische Ausdehnung ein. Somit gibt es hier keinen technischen Ansatz zur Vorbeugung der Gefahr des Zerbersten der thermoelektrischen Elemente, so wie in unserem Patentanspruch. Es kommt nicht zum Einsatz von Gleitschlitten für die thermoelktrischen Elemente im Thermogenerator.
Die Patentschrift aus Frankreich FR 2558 574 A1 bezieht sich auf die Lagerung der thermoelektrischen Elemente zwischen einer warm-Medium führenden Seite in Form eines Rohres für warmes Fluid und einer kalt-Medium führenden Seite in Form eines Lamellenschachtes, der von kalter Luft durchströmt wird. Hier wird jedoch Bezug genommen auf die möglichst formgenaue Anpassung der Bauteile an die empfindlichen Oberflächen der Peltier-Elemente.
Die Beweglichkeit der thermoelektrischen Elemente, bedingt durch die Ausdehnung/Kontraktion durch hohe Temperaturveränderungen wird hier jedoch nicht berücksichtigt. In unserem Patentanspruch soll die Beweglichkeit der Gleitschlitten in Längs- und in Querrichtung hervorgehoben werden.
Die Patentschrift US 6 347 521 B1 behandelt den inneren Aufbau eines Peltier-Elementes, welches zur Temperatur-Regelung eingesetzt werden soll. Hier wird nicht auf die Positionierung oder die optimale Lagerung der thermoelektrischen Elemente in einem Thermogenerator eingegangen.
Die japanische Patentschrift JP 2007-21 8381 A behandelt auch die Befestigung der thermoelektrischen Elemente in einem Thermogenerator. Wobei hier Wert gelegt wurde auf den Anpreßdruck der warm-Medium führenden Oberfläche und kalt-Medium führenden Oberfläche. Hier werden mehrere Peltier-Elemente fest miteinander eingespannt und nicht einzeln eingeklemmt, wie in unserem Patentanspruch. Somit wird dem Zerbersten der thermoelktrischen Elemente nicht vorgebeugt.
Die Patentschrift DE 67 53 172 U beschäftigt sich gleichfalls mit der Problematik, dass sich die thermoelektrischen Elemente in einem Thermogenerator thermisch ausdehnen. Die örtliche Fixierung der thermoelektrischen Elemente soll mechanisch sehr stabil sein. Zur Kompensation der thermischen Ausdehnung und zum fixierten Einbau sind verschiedene Ausführungen von thermisch und elektrisch gut leitenden Verbindungsstücken, die ein flexibles Teilstück aufweisen, aufgeführt. Die flexiblen Teilstücke zeichnen sich durch deren Elastizität aus. Hier sind ein Federblech, ein Federdraht, eine Federscheibe und ein Silberzopf in Verbindung mit Lötstellen an den Kontaktstellen aufgezählt. Da ist kein Gleitschlitten erwähnt, der die Ausdehnung der Peltier-Elemente in Längs- sowie in Quer-Richtung zuläßt. Im Gegensatz zu den flexiblen Teilstücken sind die Gleitschienen und Gletschlitten starr und nicht in sich elastisch.
Der Patentschrift DE 10 2007 063 171 A1 liegt der Patentanspruch zugrunde, dass die Lage der Schichten aus thermoelektrischen Elementen in einem Thermogenerator zueinander winkelig sein soll, um einen hohen Wirkungsgrad und eine Kompensation der thermischen Ausdehnung zu erzielen. Die thermoelektrischen Elemente sind hier jedoch unterschiedlichem Druck und somit mechanischer Belastung ausgesetzt. Hier kommen keine Gleitschlitten zum Vorbeugung des Zerbersten der thermoelektrischen Elemente zum Einsatz.

Claims

Gleitschlitten (2) für Peltier-Elemente (1), umfassend zwei identische Profilstücke (2.1, 2.2), die jeweils eine mit wärmetauschenden Profilrippen versehene Seite und eine flache Seite aufweisen, wobei zwischen die flachen Seiten der zwei identischen Profilstücke (2.1, 2.2) ein Peltier-Element (1) mit seiner Oberseite und Unterseite fest eingeklemmt ist.
Gleitschlitten (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem gut wärmeleitenden Material, wie beispielsweise Aluminium, besteht.
Gleitschlitten (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilstücke (2.1, 2.2) an der rechten und linken Seite des Peltier-Elements (1) soweit überstehen, dass diese mit zwei Verbindungselementen (5), z. B. Schraube oder Feder, fest verbunden werden können.
Anordnung, umfassend – mindestens einen Gleitschlitten (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 – sowie zwei zum Gleitschlitten (2) passende Gegenstückprofile als Gleitschienen (3.1, 3.2).
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschienen (3.1, 3.2) ebenfalls aus gut wärmeleitendem Material bestehen
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschlitten (2) und die Gleitschienen (3.1, 3.2) an ihren Innenseiten mit Wärmeleitpaste (4) Gleitschlitten (2) und den Gleitschienen (3.1, 3.2) zu ermöglichen. Gleitschlitten (2) und der Gleitschiene (3) zu ermöglichen.
Verwendung eines Gleitschlittens (2) nach Anspruch 1 bis 3 in einem modular aufgebauten Thermogenerator.