DE102011090152B4

DE102011090152B4 - thermogenerator

Info

Publication number: DE102011090152B4
Application number: DE102011090152.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Krüger
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2031-12-31
Also published as: DE102011090152A1; WO2013098125A1

Abstract

Thermogenerator (1) zum Umwandeln von Wärme in elektrische Energie, mit einer Oberschicht (2) und einer Unterschicht (3) aus wärmeleitendem Material, und einer zwischen der Oberschicht (2) und Unterschicht (3) angeordneten Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht Thermoelemente (4) aus einem ersten Metall, Thermoelemente (5) aus einem zweiten Metall und zwischen den Thermoelementen (4, 5) angeordnete Elemente (6) aus einem nichtwärmeleitenden Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Metall Eisen (Fe) und das zweite Metall Aluminium (Al) ist und die Oberschicht (2) und/oder die Unterschicht (3) aus einer wärmeleitenden Keramik gebildet ist/sind.Thermogenerator (1) for converting heat into electrical energy, comprising a top layer (2) and a bottom layer (3) of heat-conducting material, and an intermediate layer between the top layer (2) and bottom layer (3), the intermediate layer comprising thermocouples (4 ) of a first metal, thermocouples (5) of a second metal and between the thermocouples (4, 5) arranged elements (6) made of a non-heat-conducting material, characterized in that the first metal iron (Fe) and the second metal aluminum (Al) and the upper layer (2) and / or the lower layer (3) is / are made of a thermally conductive ceramic.

Description

Die Erfindung betrifft einen Thermogenerator zum Umwandeln von Wärme in elektrische Energie mit einer Oberschicht und einer Unterschicht aus einem wärmeleitenden Material und einer Zwischenschicht, wobei die Zwischenschicht aus Thermoelementen aus zwei unterschiedlichen Metallen und zwischen den Metallen angeordneten Elementen aus nichtwärmeleitendem Material besteht.The invention relates to a thermogenerator for converting heat into electrical energy having a top layer and a bottom layer of a thermally conductive material and an intermediate layer, wherein the intermediate layer of thermocouples consists of two different metals and disposed between the metals elements of non-thermal conductive material.

Zur Umwandlung von Teilen eines Wärmestroms in elektrische Energie und damit zur teilweisen Energierückgewinnung zum Beispiel in Automobilen mit Verbrennungsmotor, werden vermehrt Thermogeneratoren eingesetzt. Diese bestehen aus einer Vielzahl von Thermoelementepaaren, mit einem ersten Thermoelement aus einem ersten Material und einem zweiten Thermoelement aus einem zweiten Material, das vom ersten Material verschieden ist. Zum Beispiel werden im Stand der Technik bei Temperaturen bis zu 570°C Thermoelemente aus Bi2Te3 mit Thermoelementen aus PbTe kombiniert. Die Materialien für diese Thermoelemente sind sehr teuer. Bei noch höheren Temperaturen müssen noch teurere Materialien eingesetzt werden, so dass sich der Einsatz von Thermogeneratoren bei Temperaturen über 570°C wirtschaftlich nicht mehr lohnt.To convert parts of a heat flow into electrical energy and thus to partial energy recovery, for example in automobiles with internal combustion engine, more and more heat generators are used. These consist of a plurality of pairs of thermocouples, with a first thermocouple of a first material and a second thermocouple of a second material, which is different from the first material. For example, in the prior art, at temperatures up to 570 ° C, Bi2Te3 thermocouples are combined with PbTe thermocouples. The materials for these thermocouples are very expensive. At even higher temperatures even more expensive materials must be used, so that the use of thermal generators at temperatures above 570 ° C economically not worthwhile.

Die Druckschrift DE 10 2007 030 607 A1 beschreibt ein thermoelektrisches System, bei dem thermoelektrische Vorrichtungen um Ventilsitze herum positioniert sind; hierbei sind Keramiksubstrate und Halbleitermaterialien als Thermoelemente thermisch parallel zwischen den Keramiken vorgesehen.The publication DE 10 2007 030 607 A1 describes a thermoelectric system in which thermoelectric devices are positioned around valve seats; In this case, ceramic substrates and semiconductor materials are provided as thermocouples thermally parallel between the ceramics.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Thermogenerator zur Verfügung zu stellen, der an unterschiedliche Einbausituationen angepasst werden und preiswert hergestellt werden kann und auch bei Temperaturen über 570°C wirtschaftlich einsetzbar ist.It is the object of the invention to provide a thermogenerator which can be adapted to different installation situations and can be produced inexpensively and can be used economically even at temperatures above 570.degree.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Thermogenerator gemäß dem unabhängigen Anspruch erfüllt.This object is achieved by the thermogenerator according to the independent claim.

Die Erfindung betrifft einem Thermogenerator mit einem Aufbau aus einer Oberschicht, einer Unterschicht und einer zwischen diesen beiden Schichten angeordneten Zwischenschicht, die Thermoelemente aus einem ersten Metall, Thermoelemente aus einem zweiten Metall und Elemente aus einem nichtwärmeleitenden Material aufweist.The invention relates to a thermogenerator having a superstructure, an underlayer and an intermediate layer disposed between these two layers, comprising first metal thermocouples, second metal thermocouples and non-thermally conductive material elements.

Dabei ist im Regelfall die Oberseite der Oberschicht des Thermogenerators einer Wärmequelle zugewandt, während die Unterseite der Unterschicht mit der Umgebung oder einem Kühlkreislauf verbunden ist, um Restwärme vom Thermogenerator abzuführen. Ebenso gut kann auch die Unterschicht der Wärmequelle zugewandt sein und die Oberschicht der Ableitung der Restwärme dienen.As a rule, the upper side of the upper layer of the thermal generator faces a heat source, while the underside of the lower layer is connected to the environment or a cooling circuit in order to dissipate residual heat from the thermal generator. Just as well, the lower layer of the heat source may be facing and serve the upper layer of the derivative of the residual heat.

Ober- und Unterschicht des Thermogenerators können zum Beispiel aus einer wärmeleitenden Keramik bestehen oder eine solche aufweisen. Die Keramik kann für beide Seiten die gleiche sein, es können aber auch abhängig von den Temperaturen Keramiken mit unterschiedlichem Wärmeleitfaktor für die Oberschicht und die Unterschicht zum Einsatz kommen. Die Dicke der Keramikschichten für die Oberschicht und die Unterschicht des Thermogenerators kann gleich oder verschieden sein. Die Keramikschicht kann homogen aufgebaut sein oder ein Keramikverbund sein, mit Schichten von Keramik unterschiedlicher Zusammensetzung.Upper and lower layers of the thermal generator may for example consist of a thermally conductive ceramic or have such. The ceramic can be the same for both sides, but it can also be used depending on the temperatures ceramics with different Wärmeleitfaktor for the upper layer and the lower layer. The thickness of the ceramic layers for the upper layer and the lower layer of the thermal generator may be the same or different. The ceramic layer may be homogeneously structured or a ceramic composite, with layers of ceramic of different composition.

Die Thermoelemente des Thermogenerators sind aus unterschiedlichen Metallen gebildet, wobei bevorzugt jeweils zwei Thermoelemente unterschiedlicher Metalle sich zumindest in einem Abschnitt berührend nebeneinander liegen. Bei den Metallen handelt es sich bevorzugt nicht um Edelmetalle oder spezielle Legierungen sondern um gut zu verarbeitende, kostengünstige Metalle des Periodensystems, wie sie zum Beispiel im Maschinenbau zum Einsatz kommen.The thermocouples of the thermogenerator are formed of different metals, wherein each preferably two thermocouples of different metals are at least in a section touching next to each other. The metals are preferably not precious metals or special alloys but good to be processed, inexpensive metals of the periodic table, as used for example in mechanical engineering.

Nach dem unabhängigen Anspruch handelt es sich bei dem ersten Material um Eisen (Fe) und bei dem zweiten Material um Aluminium (Al).According to the independent claim, the first material is iron (Fe) and the second material is aluminum (Al).

Bevorzugt weisen dabei das Eisen und das Aluminium einen Reinheitsgrad von wenigstens 95% auf. Das heißt, die Metalle enthalten höchstens 5% an Verunreinigungen und/oder Beimischungen.The iron and the aluminum preferably have a purity of at least 95%. That is, the metals contain at most 5% of impurities and / or admixtures.

Die Thermoelemente weisen beispielsweise eine Wellenform, eine Z-Form oder eine ähnliche Form sein, bei der die Enden von zwei bevorzugt weitestgehend identisch geformten Thermoelementen sich querschnittsflächig berührend, das heißt, Stoß an Stoß, aneinander angeschlossen werden können. Die Form und/oder Größe aufeinander folgender Thermoelemente kann aber auch unterschiedlich sein, falls es die Einbauverhältnisse verlangen.The thermocouples have, for example, a waveform, a Z-shape or a similar shape, in which the ends of two preferably largely identically shaped thermocouples can be connected to each other across the cross-section surface, that is, butt-to-joint. The shape and / or size of successive thermocouples may also be different, if required by the installation conditions.

Der Raum der Zwischenschicht, der nicht mit Thermoelementen gefüllt ist, wird durch Elemente aus einem nichtwärmeleitenden Material gefüllt. Das heißt, in einem durch die Form der Thermoelemente verbleibenden Hohlraum zwischen zwei benachbarten Thermoelementen bilden Elemente aus einem nichtwärmeleitenden Material, bevorzugt einer nicht wärmeleitenden Keramik, den Thermogenerator mit.The space of the intermediate layer, which is not filled with thermocouples, is filled by elements made of a non-heat-conducting material. That is, in a cavity remaining between the two adjacent thermocouples due to the shape of the thermocouples, elements made of a non-heat-conducting material, preferably a non-thermally conductive ceramic, form the thermogenerator.

Die den Thermogenerator bildenden Thermoelemente können elektrisch in Reihe und/oder parallel geschaltet sein. Der Aufbau und die Form des Thermogenerators können weitestgehend frei gewählt werden und können vom Einbauort, vom zur Verfügung stehenden Platz am Einbauort und anderen dort vorherrschenden Bedingungen abhängig sein.The thermoelements forming the thermogenerator can be electrically connected in series and / or in parallel. The design and shape of the thermal generator can be chosen freely as far as possible and may depend on the installation location, the available space at the installation site and other conditions prevailing there.

Ein Thermogenerator kann Thermoelemente gleicher Form und Größe oder unterschiedlicher Form und Größen aufweisen, um den Thermogenerator an unterschiedliche Einbausituationen anzupassen. So kann der Thermogenerator zum Beispiel eine runde, wannenförmige Außenform haben, um in der Nähe eines Zylinderkopf eines Verbrennungsmotors eingebaut zu werden oder er kann ein ringförmiger oder rohrförmiger Körper sein, der in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors eingepasst wird.A thermogenerator can have thermocouples of the same shape and size or of different shape and size in order to adapt the thermogenerator to different installation situations. For example, the thermal generator may have a round, trough-shaped outer shape to be installed near a cylinder head of an internal combustion engine, or may be an annular or tubular body fitted in the exhaust line of an internal combustion engine.

Grundsätzlich kann der Thermogenerator überall dort in einer Maschine, zum Beispiel einer Verbrennungskraftmaschine, eingebaut werden, wo ein ausreichender Überschuss an Wärme erzeugt wird, der eine Umwandlung der Wärmeenergie in Elektroenergie wirtschaftlich sinnvoll macht. Aufgrund seines Aufbaus ist der Thermogenerator hochtemperaturfest, robust, preiswert und in Form und Größe an den jeweiligen Anwendungsfall anpassbar. Dies ermöglicht einen wirtschaftlichen Einsatz von Thermogeneratoren auch an Stellen und unter Bedingungen, die bisher als schwierig oder ungeeignet galten. So kann der Thermogenerator auch an Stellen eingebaut werden, an denen die Oberschicht Temperaturen über 570°C ausgesetzt ist.In principle, the thermal generator can be installed anywhere in a machine, for example an internal combustion engine, where a sufficient excess of heat is generated, which makes a conversion of the heat energy into electrical energy economically sensible. Due to its structure, the thermogenerator is high temperature resistant, robust, inexpensive and adaptable in shape and size to the respective application. This allows economical use of thermal generators also in places and under conditions that were previously considered difficult or unsuitable. Thus, the thermal generator can also be installed in places where the upper layer is exposed to temperatures above 570 ° C.

Im Folgenden wird der Thermogenerator anhand von zwei Figuren näher erläutert. Merkmale und Merkmalskombinationen, die nur den Figuren zu entnehmen sind, können den Thermogenerator vorteilhaft weiterbilden und gehören zum Umfang der Erfindung. Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt.In the following, the thermogenerator is explained in more detail with reference to two figures. Features and combinations of features, which can only be seen in the figures, can advantageously further develop the thermogenerator and belong to the scope of the invention. The invention is not limited to the exemplary embodiments shown.

Im Einzelnen zeigen die Figuren:In detail, the figures show:

1 prinzipieller Aufbau eines flächigen Thermogenerators 1 basic structure of a planar thermogenerator

2 Thermogenerator zum Anbau an einen Zylinderkopf 2 Thermogenerator for attachment to a cylinder head

Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen flächigen Thermogenerator 1. Der Thermogenerator 1 weist eine Oberschicht 2 auf, mit einer Oberseite, die einer nicht gezeigten Wärmequelle zugewandt ist. Die Oberschicht 2 ist aus einem wärmeleitenden Material, zum Beispiel einer wärmeleitenden Keramik gebildet und leitet die Wärme der Wärmequelle in das Innere des Thermogenerators 1.The 1 shows a section through a flat thermal generator 1 , The thermogenerator 1 has an upper class 2 on, with an upper side facing a heat source, not shown. The upper class 2 is formed of a thermally conductive material, for example a thermally conductive ceramic and conducts the heat of the heat source into the interior of the thermal generator 1 ,

Der Thermogenerator 1 weist weiterhin eine Unterschicht 3 auf, die Wärme aus dem Inneren des Thermogenerators 1 an die Umgebung oder ein nicht gezeigtes Kühlsystem abgeben kann. Auch diese Unterschicht 3 ist aus einem wärmeleitenden Material, bevorzugt einer wärmeleitenden Keramik gebildet.The thermogenerator 1 also has an undercoat 3 on, the heat from inside the thermogenerator 1 can deliver to the environment or a cooling system, not shown. Also this lower class 3 is formed of a thermally conductive material, preferably a thermally conductive ceramic.

Das Innere des Thermogenerators wird durch Thermoelemente 4, 5 und Elemente 6 aufgebaut. Die Thermoelemente 4, 5 weisen im Ausführungsbeispiel eine identische Form auf und sind so angeordnet, dass sie mit einander gegenüberliegenden Enden aneinanderstoßen. Dabei sind die Thermoelemente 4 aus einem ersten Material, einem Metall, zum Beispiel Eisen gebildet und die Thermoelemente 5 aus einem zweiten Material, zum Beispiel Aluminium.The inside of the thermogenerator is made by thermocouples 4 . 5 and elements 6 built up. The thermocouples 4 . 5 have an identical shape in the embodiment and are arranged so that they abut with opposite ends. Here are the thermocouples 4 made of a first material, a metal, for example, iron and the thermocouples 5 from a second material, for example aluminum.

Die Elemente 6 sind aus einem nichtwärmeleitenden Werkstoff gebildet, zum Beispiel einer Keramik, und verhindern den flächigen Durchgang der von der Wärmequelle kommenden Wärme durch den Thermogenerator 1.The Elements 6 are formed of a non-heat conductive material, for example a ceramic, and prevent the surface passage of the heat coming from the heat source through the thermogenerator 1 ,

Der Thermogenerator 1 wandelt den durch die Thermoelemente 4, 5 fließenden Wärmestrom unter Nutzung des Seebeckeffekts in elektrische Leistung um. Die Spannung des Thermogenerators 1 hängt von den Materialeigenschaften und der Anzahl der miteinander verschalteten Thermoelemente 4, 5 ab und von der Temperaturdifferenz zwischen den an der Oberschicht 2 bzw. der Unterschicht 3 anliegenden Thermoelementeschenkeln 7.The thermogenerator 1 converts it through the thermocouples 4 . 5 flowing heat flow using the Seebeckeffekts in electrical power. The voltage of the thermogenerator 1 depends on the material properties and the number of interconnected thermocouples 4 . 5 from and of the temperature difference between those at the top layer 2 or the lower layer 3 adjacent thermocouple legs 7 ,

Die 2 zeigt einen Thermogenerator 1, der an den Zylinderkopf 8 eines Verbrennungsmotors angebaut werden kann. Der Thermogenerator 1 hat eine runde, schüsselförmige Ausbildung mit einer äußeren Fläche, die zumindest teilweise die Unterschicht 3 des Thermogenerators 1 bildet und einer ringförmigen Innenfläche, die der Wärmequelle zugewandt ist und daher die Oberschicht 2 bildet. Zu erkennen ist eine Verbindung 9 zum Abführen der im Thermogenerator 1 erzeugten elektrischen Energie an einen Verbraucher oder eine Batterie.The 2 shows a thermogenerator 1 , to the cylinder head 8th an internal combustion engine can be grown. The thermogenerator 1 has a round, bowl-shaped formation with an outer surface that at least partially the lower layer 3 of the thermogenerator 1 forms and an annular inner surface, which faces the heat source and therefore the upper layer 2 forms. To recognize is a connection 9 for dissipating in the thermogenerator 1 generated electrical energy to a consumer or a battery.

Claims

Thermogenerator ( 1 ) for converting heat into electrical energy, with a top layer ( 2 ) and an underclass ( 3 ) of thermally conductive material, and one between the upper layer ( 2 ) and sublayer ( 3 ), wherein the intermediate layer thermocouples ( 4 ) of a first metal, thermocouples ( 5 ) of a second metal and between the thermocouples ( 4 . 5 ) arranged elements ( 6 ) of a non-heat-conducting material, characterized in that the first metal is iron (Fe) and the second metal is aluminum (Al) and the upper layer ( 2 ) and / or the lower layer ( 3 ) is formed of a thermally conductive ceramic / are.

Thermogenerator according to claim 1, wherein the upper layer ( 2 ) faces a heat source and the lower layer ( 3 ) serves to dissipate the residual heat, or vice versa.

Thermogenerator according to one of the preceding claims, wherein at least the first metal has a degree of purity of at least 95%.

A thermal generator according to any one of the preceding claims, wherein the first metal and the second metal have a purity of at least 95%.

Thermogenerator according to one of the preceding claims, wherein between the thermocouples ( 4 . 5 ) arranged elements ( 6 ) consist of a non-heat conductive ceramic.

Thermogenerator according to one of the preceding claims, wherein the thermocouples ( 4 . 5 ) are connected in series and / or in parallel.

Thermogenerator according to one of the preceding claims, wherein the thermal generator ( 1 ) Thermocouples ( 4 . 5 ) of different shape and size.

Thermogenerator according to one of the preceding claims, wherein the thermal generator ( 1 ) on a cylinder head ( 8th ) and / or can be arranged in an exhaust line, or wherein the thermal generator is arranged, in the vicinity of a cylinder head ( 8th ) to be installed.

Thermogenerator according to the preceding claim, wherein the thermogenerator ( 1 ) is annular and at the upper end of the cylinder in the cylinder head ( 8th ) is arranged, in particular in the vicinity of the cylinder head.