DE102011114102B4

DE102011114102B4 - Thermoelektrische vorrichtung, die zwei phasenänderungsmaterialien zur abwärmerückgewinnung von motorabgas enthält

Info

Publication number: DE102011114102B4
Application number: DE102011114102.6A
Authority: DE
Inventors: Gregory P. Meisner; Jihui Yang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-09-29
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2016-08-25
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: US20120073276A1; DE102011114102A1; US8646261B2; CN102434256A; CN102434256B

Abstract

Thermoelektrische Vorrichtung (10), die zur Anordnung in einem Abgassystem (5) zur zeitweiligen Aufnahme und Entladung eines heißen strömenden Abgasstroms (12) von einem Verbrennungsmotor (2) zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs (1) angepasst und geformt ist, wobei die thermoelektrische Vorrichtung (10) umfasst: zumindest ein thermoelektrisches Modul (50) zum Erzeugen elektrischer Energie von der thermischen Energie des erwärmten Abgases (12), wobei die thermoelektrische Vorrichtung (10) eine Hochtemperaturseite und eine Niedertemperaturseite aufweist und um den Umfang eines Anteils des Abgasströmungspfades angeordnet ist, wobei die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung (10) in Wärmeübertragungskontakt mit dem strömenden Abgasstrom (12) steht, einen ersten Körper aus einem erstem Phasenänderungsmaterial (16) mit einem Schmelzpunkt von 350 bis 415°C, der koextensiv mit dem thermoelektrischen Modul (50) ist und um den Umfang des Abgases (12) und die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung (10) angeordnet ist, sowie einen zweiten Körper aus einem zweiten Phasenänderungsmaterial (32) mit einem Schmelzpunkt von 10 bis 100°C, der koextensiv mit dem thermoelektrischen Modul (50) ist und um die Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung (10) angeordnet ist, wobei in dem Körper zweite Kanäle (34) zum Durchgang von Kühlmittel (36) positioniert sind.

Description

Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der U.S.-Regierung über den Vertrag Nummer DEAC05000OR22725, der durch das Energieministerium gewährt wurde, gemacht. Die US-Regierung kann gewisse Rechte an dieser Erfindung besitzen.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtungen zur effizienten Entnahme zumindest eines Anteils der thermischen Energie in einem Abgassystem eines Verbrennungsmotors und zur Umwandlung der entnommenen Energie in elektrische Energie.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorteile hinsichtlich des Wirkungsgrades sowohl funkengezündeter als auch kompressionsgezündeter Verbrennungsmotoren haben signifikant zu einer verbesserten Kraftstoffwirtschaftlichkeit von Fahrzeugen beigetragen. Trotz dieser Verbesserungen des Motorwirkungsgrades wird ein merklicher Anteil der verfügbaren Energie in dem Kraftstoff als Abwärme ausgetragen, wobei ein beträchtlicher Anteil davon bei hoher Temperatur in dem Fahrzeugabgas ausgetragen wird.
Es können noch weitere Zunahmen der Fahrzeugkraftstoffwirtschaftlichkeit erreicht werden, wenn zumindest ein Anteil der in dem Abgasstrom enthaltenen Abwärme effizient abgefangen werden kann.
Aus der WO 2011/037526 A1 ist ein thermisches Erzeugnissystem bekannt, mit dem Elektrizität aus einem warmen Abgasmedium entzogen wird, wobei dieses System eine thermoelektrische Erzeugungseinrichtung, ein oder mehrere Energiespeicherschichten, ein oder mehrere thermoelektrische Erzeugungsschichten und eine Bypasseinheit umfasst. Bei der Energiespeicherschicht handelt es sich um eine Schicht, welche Wärmeenergie speichern kann und welche zwischen der Abgasleitung und der thermoelektrisch erzeugenden Schicht, d. h. an der Hochtemperaturseite des Systems, angeordnet ist.
In der US 2005/0072 142 A1 wird ein Abgasemissionssteuersystem offenbart, welches ein thermoelektrisches Umwandlungselement, einen Abgasreinigungskatalysator und ein variables Wärmeleitungselement umfasst, wobei das variable Wärmeleitungselement zwischen einem gering wärmeleitenden Zustand und einem stark wärmeleitenden Zustand verändert werden kann, wobei das variable Wärmeleitungselement in den stark wärmeleitenden Zustand versetzt wird, wenn die Temperatur in dem Abgasreinigungskatalysator einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Aus der DE 10 2006 040 855 B3 ist eine thermoelektrische Einrichtung bekannt, welche einen thermoelektrischen Generator, eine Wärmequelle und eine Wärmesenke umfasst, wobei der thermoelektrische Generator auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke thermisch verbunden ist, wobei die thermoelektrische Einrichtung ferner eine Kammer umfasst, die großflächig mit der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Generator thermisch verbunden ist und mit einem verdampfbaren Arbeitsmedium ausgefüllt ist und in der flüssiges und gasförmiges Arbeitsmedium bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulieren kann, wobei die thermoelektrische Einrichtung zudem Mittel zu einer Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator umfasst.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Viele Kraftfahrzeuge besitzen einen benzinbetriebenen oder dieselbetriebenen Motor im Frontbereich des Fahrzeugs mit einer Verbrennungsgas-Abgasleitung, die mit dem Abgaskrümmer des Motors verbunden ist und unter dem Fahrzeug zu dem Heck führt, wo das Abgas ausgetragen wird. Dieser Abgasdurchgang umfasst Abschnitte aus Stahlrohren mit hochtemperaturbeständiger Legierung, die das heiße Motorabgas typischerweise zu und von einem katalysierten Abgasbehandlungsbehälter, einem Abgasresonator und einem Schalldämpfer zur Entfernung von Schmutzstoffen von dem Abgas und zur Regulierung seines Geräusches führen. Die Stahlabgasrohre sind gewöhnlich rund mit einem Innendurchmesser von etwa 70 mm bis etwa 100 mm. Die Temperatur des Abgases, das den Abgaskrümmer zu irgendeinem Zeitpunkt verlässt, ist eine Funktion dessen, wie lange der Motor gelaufen ist und wie viel Kraftstoff er verbraucht hat und kann im Bereich von hohen Temperaturen von etwa 500°C bis hunderten Graden oder weniger liegen. Oxidationsreaktionen in einem katalytischen Wandler erhöhen oftmals die Abgastemperaturen stromabwärts des Wandlers.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung, die zur Anordnung in einem Abgassystem zur zeitweiligen Aufnahme und Entladung eines heißen strömenden Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs angepasst und geformt ist, wobei die thermoelektrische Vorrichtung umfasst:

– zumindest ein thermoelektrisches Modul zum Erzeugen elektrischer Energie von der thermischen Energie des erwärmten Abgases, wobei die thermoelektrische Vorrichtung eine Hochtemperaturseite und eine Niedertemperaturseite aufweist und um den Umfang eines Anteils des Abgasströmungspfades angeordnet ist, wobei die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung in Wärmeübertragungskontakt mit dem strömenden Abgasstrom steht,
– einen ersten Körper aus einem erstem Phasenänderungsmaterial mit einem Schmelzpunkt von 350 bis 415°C, der koextensiv mit dem thermoelektrischen Modul ist und um den Umfang des Abgases und die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung angeordnet ist, sowie
– einen zweiten Körper aus einem zweiten Phasenänderungsmaterial mit einem Schmelzpunkt von 10 bis 100°C, der koextensiv mit dem thermoelektrischen Modul ist und um die Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung angeordnet ist, wobei in dem Körper zweiten Kanäle zum Durchgang von Kühlmittel positioniert sind.

Gemäß Ausführungsformen dieser Erfindung umfasst das Abgasleitungssystem auch ein oder mehrere thermoelektrische Module, die jeweils eine geeignet gepackte Anordnung umfassen, die eine Mehrzahl thermoelektrischer Elemente mit integralen elektrischen Verbindungen und Verbindern zur Entnahme elektrischer Energie umfasst. Die designierten Hochtemperaturseiten der thermoelektrischen Elemente (in den Modulen) werden durch heißes Abgas erwärmt und die Seiten mit geringerer Temperatur werden gekühlt. So erzeugt das thermoelektrische Modul elektrische Energie von dem Abgas und leitet diese zu einer nahen Speicherbatterie zur Verwendung in Komponenten an dem Fahrzeug. Oftmals wird die Seite mit geringerer Temperatur (die kalte Seite) des thermoelektrischen Moduls beispielsweise durch Umgebungsluft oder durch Motorkühlmittel gekühlt. Eine thermoelektrische Vorrichtung umfasst eine Gruppierung thermoelektrischer Module, die um den Umfang (oder die Umfassung) des Abgaspfades (oder eines Leitungselements für das Abgas) und entlang der Strömungsachse des Abgases angeordnet sind, um eine gewünschte Wärmeübertragungskontaktfläche zwischen der Hochtemperaturseite des Moduls und dem strömenden Gas bereitzustellen.
Thermoelektrische Zusammensetzungen sind für einen effektiven Betrieb bei einer Temperatur (oder einem schmalen Temperaturbereich) innerhalb typischer erwarteter oberer Niveaus von Abgastemperaturen für ein Fahrzeugmotorabgassystem gewählt. Bei Ausführungsformen dieser Erfindung werden ein oder mehrere Volumen von Phasenänderungsmaterialien koextensiv zwischen dem heißen Abgas und der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Module angeordnet. Die Zusammensetzung des Phasenänderungsmaterials ist so gewählt, dass es Schmelz- und Verfestigungszyklen an der gewünschten Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Elemente ausgesetzt ist. Somit dienen die Menge an Phasenänderungsmaterial, seine Schmelztemperatur und seine spezifische latente Wärme als ein stabilisierender Temperaturmoderator zur Wärmeübertragung zwischen dem thermoelektrischen Material und der oftmals kontinuierlich variierenden Temperatur des Abgases. Zudem wird erfindungsgemäß ein Phasenänderungsmaterial mit geringerer Temperatur zwischen der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Materials und einem Medium verwendet werden, das im Wärmeaustausch mit der designierten Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Moduls verwendet ist. Abhängig von der Länge der thermoelektrischen Vorrichtung entlang des Abgaspfades und dem typischen Temperaturabfall des Abgases in einer derartigen Länge können zusätzliche verschiedene Phasenänderungsmaterialien und thermoelektrische Materialien in den heißen und kalten Stellen stromabwärtiger Module verwendet werden. Diese stromabwärtigen Module können zur effizienteren Entnahme von Energie von dem stromabwärtigen Motorabgas bei geringerer Temperatur angepasst werden.
Wenn während seltener fortgesetzter Perioden erhöhter Abgastemperatur, beispielsweise wenn eine lange Steigung erklommen wird oder eine schwere Last gezogen wird, das gesamte Volumen an Phasenänderungsmaterial in seine Hochtemperaturphase umgewandelt wird, ist es nicht in der Lage, zusätzliche Wärme bei konstanter Temperatur und der Temperatur des Phasenänderungsmaterials zu speichern, und entsprechend steigt die Temperatur des thermoelektrischen Moduls. Wenn ein thermoelektrisches Modul überhitzt und seine bevorzugte Betriebstemperatur überschreitet, können die thermoelektrischen Elemente oxidiert werden oder sich zersetzen oder anderweitig Schaden nehmen.
Somit kann das Abgassystem durch Einbau eines Bypass-(Abgas)-Rohres modifiziert werden, das das Abgasrohr stromaufwärts der thermoelektrischen Vorrichtung verzweigt und das Abgasrohr stromabwärts des thermoelektrischen Moduls wieder verbindet. Mittels eines geeigneten Ventils kann das Abgas durch das thermoelektrische Modul oder durch das Bypassrohr geführt werden. Wenn das Phasenänderungsmaterial Wärme ohne Erhöhung der Temperatur nicht mehr absorbiert, kann das Abgas durch das Bypassrohr geführt werden. Die Fähigkeiten des Phasenänderungsmaterials können durch Messen seiner Temperatur bewertet werden, und dieses Signal kann dazu verwendet werden, das Ventil zu steuern und zu betätigen, um das Abgas, wie geeignet, zu führen.
Eine Variante dieses Konzeptes besteht darin, Umgebungsluft in den Abgasstrom in einem geeigneten Prozentsatz zuzuführen, um das Luft- und Abgasgemisch nahe oder innerhalb eines bevorzugten Temperaturbereichs beizubehalten. Dieser Temperaturbereich kann so gewählt werden, dass die Wärmeabsorptionsfähigkeiten des Phasenänderungsmaterials nicht überschritten werden und keine Überhitzung eines thermoelektrischen Moduls auftritt. Bevorzugt wird das Entlüftungsventil unter Verwendung zumindest eines integralen Controllers gesteuert und mit einem Aktuator, der einen Sensor enthält, um eine Aktuatorposition zu berichten, geöffnet und geschlossen. Genauer kann eine Proportional-Integral- oder Proportional-Integral-Differenzial-Regelung verwendet werden.
Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einer Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen offensichtlich, die in dieser Beschreibung folgt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt in einer ausgeschnittenen Draufsicht einen Fahrzeugmotor, ein Abgassystem und eine thermoelektrische Vorrichtung, die zur effizienten Entnahme von thermischer Energie von einem Fahrzeugabgas angeordnet ist.
2 ist eine Aufzeichnung der Variation des dimensionslosen Gütefaktors für thermoelektrische Materialien (ZT) als eine Funktion des Durchschnitts der Temperaturen heißer und kalter Verbindungsstellen.
3 ist ein Schnitt einer Ausführungsform einer beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung und mit einer Mehrzahl thermoelektrischer Module in thermischer Kommunikation mit einem Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial an ihrer heißen Verbindungsstelle und einem Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial an ihrer kalten Verbindungsstelle.
4 zeigt teilweise ausgeschnitten eine perspektivische Ansicht eines repräsentativen thermoelektrischen Moduls.
5 zeigt einen Längsschnitt der in 3 gezeigten beispielhaften thermoelektrischen Vorrichtung.
6 zeigt zusammengesetzt eine zweite Ausführungsform einer thermoelektrischen Vorrichtung mit einer Mehrzahl thermoelektrischer Module in thermischer Kommunikation mit einem Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial an ihrer heißen Verbindungsstelle und einem Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial an ihrer kalten Verbindungsstelle. Es sind zwei Konfigurationen von Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterialien veranschaulicht.
7 ist eine schematische Darstellung der Variation der Motorabgastemperatur mit der Zeit, die aus einer Reihe von Motorbetriebsmoden resultiert. Es ist auch die resultierende Temperatur der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung gezeigt, die kein Phasenänderungsmaterial an der heißen Verbindungsstelle verwendet und die ein Abgasumlenksystem verwendet, um gegen Überhitzung der thermoelektrischen Vorrichtung zu schützen. Die maximale Temperatur, die durch die thermoelektrische Vorrichtung ausgehalten werden kann, ist angegeben als TE max / TE und die entsprechende Abgastemperatur als TE max / TX .
8 ist eine schematische Darstellung der Variation der Motorabgastemperatur mit der Zeit, die aus einer Reihe von Motorbetriebsmoden resultiert, und ist identisch zu der, die in 7 gezeigt ist. Es ist auch die resultierende Temperatur der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung gezeigt, die ein Phasenänderungsmaterial an der heißen Verbindungsstelle verwendet. Die maximale Temperatur, die von dem thermoelektrischen Modul ausgehalten werden kann, ist als TE max / TE angegeben.
9 zeigt in einer Ansicht, die im Wesentlichen identisch zu der von 1 ist, eine Modifikation eines Fahrzeugabgases zum Einschluss eines Umlenkrohres, um zu ermöglichen, dass das Abgas die thermoelektrische Vorrichtung umgehen kann.
10 zeigt in einer Ansicht, die im Wesentlichen identisch zu der in 1 ist, eine Modifikation eines Fahrzeugabgases zum Einschluss eines Entlüftungsrohres, um Verdünnungsluft in den Fahrzeugabgasstrom zuzuführen, um die Gastemperatur zu reduzieren.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt in einer teilweise ausgeschnittenen Ansicht den Motor 2 und das Abgassystem 5 eines Fahrzeugs 1 wie auch einen Anteil des Antriebsstrangs, durch den die Motorleistung an die Hinterräder zum Vortrieb des Fahrzeugs geliefert wird. Das Abgassystem kann Hauptelemente und -Vorrichtungen umfassen, wie einen katalytischen Wandler 4, einen Resonator 7, einen Schalldämpfer 8 und ein Abgasrohr 9, die jeweils zum Durchgang von Abgas von dem Motor 2 angepasst und jeweils seriell durch eine Mehrzahl hohler Rohre oder Rohrsegmente miteinander verbunden sind, die als 3, 81, 82, 84, 80 und 6 gezeigt sind. Auch ist in dem Abgassystem 5 eine thermoelektrische Vorrichtung 10 gezeigt, die zur Entnahme elektrischer Energie von der thermischen Energie des Motorabgasstromes angepasst ist.
Um die katalytische Aktivität beim kalten Motorstart zu steigern, ist der katalytische Wandler 4 bevorzugt so nahe wie möglich an dem Motor positioniert. Die thermoelektrische Vorrichtung 10 ist dann bevorzugt stromabwärts von jedoch nahe zu dem katalytischen Wandler 6 positioniert, wo das Abgas am heißesten ist. Dies resultiert allgemein darin, dass die thermoelektrische Vorrichtung zwischen dem katalytischen Wandler 4 und dem Resonator 7, wenn das Fahrzeug so ausgestattet ist, oder zwischen dem katalytischen Wandler 4 und dem Schalldämpfer 8 in Fahrzeugen ohne einen Resonator oder Fahrzeugen, in denen der Resonator und der Schalldämpfer gemeinsam gepackt sind, angeordnet ist.
Thermoelektrische Module verwenden zwei verschiedene (jedoch komplementäre) thermoelektrische Materialien, die kompakt gepackt sind und geeignete elektrische Verbindungen zur Erzeugung eines elektrischen Stromes aufweisen, wenn getrennte Verbindungsstellen einer geeigneten Temperaturdifferenz ausgesetzt werden. Derartige thermoelektrische Module zur Energieerzeugung nutzen den Seebeck-Effekt, ein Phänomen, bei dem ein Temperaturgradient über einen Körper angelegt wird und in Folge dessen eine Leerlaufspannung, die kolinear mit dem Temperaturgradienten ist, hergestellt wird.
Viele Kombinationen thermoelektrischer Materialien können verwendet werden, jedoch sind Halbleitermaterialien, die eine höhere Leistungsfähigkeit als viele konkurrierende Materialien bieten, bevorzugt. Für derartige Halbleitermaterialien ist die Polarität der Spannung in Bezug auf den angelegten Temperaturgradienten von der Beschaffenheit der Majoritätsladungsträger abhängig. Wenn eine Temperaturdifferenz zwischen zwei Enden eines thermoelektrischen Elements existiert, fließen erwärmte Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) zu dem kälteren Ende. Wenn ein Paar unähnlicher thermoelektrischer Halbleiterelemente, die ein Paar bilden, das aus einem Element vom n-Typ und einem Element vom p-Typ besteht, geeignet miteinander verbunden sind, um eine elektrische Schaltung zu bilden, fließt ein Gleichstrom in dieser Schaltung.
Es sind mehrere Familien von thermoelektrischen Halbleiter-Materialverbindungen entdeckt und entwickelt worden. Unter diesen Verbindungen ist Skutterudit (CoSb₃ oder Co₄SB₁₂) ein Beispiel. Kubisches Co₄Sb₁₂ besitzt zwei Leerstellen bzw. Hohlräume in einer kristallografischen Zelleneinheit. Die Leerstellen können teilweise oder vollständig beispielsweise mit einem oder mehreren aus Seltenerd-, Alkalierd- oder Alkalimetall-Elementen gefüllt sein. Derartige Vorgehensweisen mit teilweiser Füllung können dazu verwendet werden, thermoelektrische Eigenschaften des kristallinen Materials einzustellen oder abzustimmen. Skutterudite zeigen Halbleitereigenschaften, und es können getrennte Zusammensetzungen mit Leitfähigkeit vom p-Typ (Löcherladungsträger) und vom n-Typ (Elektronenladungsträger) geformt werden. Es sind viele andere thermoelektrische Zusammensetzungen bekannt und verfügbar.
Die Fähigkeiten thermoelektrischer Materialien und Module sind allgemein in Bezug auf einen Gütefaktor Z dargestellt, die definiert ist als: Z = σS²/k, wobei σ die elektrische Leitfähigkeit ist, κ die thermische Leitfähigkeit ist und S der Seebeck-Koeffizient oder die Thermoleistung ist, die als Einheit eine Spannung pro (Grad) Kelvin besitzt. Üblicherweise wird ein dimensionsloser Gütefaktor ZT verwendet, wobei T der Durchschnitt der heißen und kalten Temperaturen ist, denen das Modul ausgesetzt ist. Größere Werte von ZT geben einen größeren thermodynamischen Wirkungsgrad an. Für thermoelektrische Module kann im Gegensatz zu Elementen ZT auch als ein Gütefaktor verwendet werden, vorausgesetzt, dass die beiden Materialien des Paares ähnliche Z-Werte besitzen.
In 2 ist eine Aufzeichnung von ZT gegenüber der Temperatur für eine Anzahl thermoelektrischer Materialien gezeigt, wobei der Wirkungsgrad, mit dem thermoelektrische Materialien thermische Energie in elektrische Energie umwandeln, sowohl von dem Material als auch ihrer Temperatur abhängt. Somit resultiert eine optimale Energieumwandlung, wenn das thermoelektrische Material seinen maximalen Wert von ZT bei der Betriebstemperatur des Moduls aufweist. Wie in 2 gezeigt ist, weisen teilweise gefüllte, p-Typ- und n-Typ-dotierte Skutterudite, die auf der Zusammensetzung Co₄Sb₁₂ basieren und verschiedene Prozentsätze von Ba, La und Yb enthalten, einen kombinierten ZT von etwa 1,2 zwischen etwa 800 und 900 K auf, einen typischen Abgastemperaturbereich für sowohl funkengezündete als auch kompressionsgezündete Motoren. Somit bieten die teilweise gefüllten dotierten Co₄Sb₁₂-Skutterudite eine überlegene Leistungsfähigkeit gegenüber einigen alternativen thermoelektrischen Materialien, die Bi₂Te₃, PbTe und SiGe enthalten, deren Gütefaktor ZT ebenfalls in 2 gezeigt ist. Der erwartete Betriebstemperaturbereich der Vorrichtung umschließt jedoch die Temperatur von etwa 850 K, bei der sich Co₄Sb₁₂ zersetzen kann. Es ist daher zwingend, dass die Betriebstemperatur von auf Co₄Sb₁₂ basierten thermoelektrischen Skutterudit-Materialien gut gesteuert wird.
Ein Schnitt durch eine repräsentative geeignete Vorrichtung 10 zur Entnahme elektrischer Energie von Motorabgasen ist in 3 gezeigt. Abgas 12, das durch Innenrohrflächen 13 enthalten ist, strömt in dem Inneren eines dünnwandigen achteckigen Rohres 14, das ein Zentrum 11 besitzt. Die dünnwandigen achteckigen Rohre 14, 18 und dünnwandigen runden Rohre 30 und 38 sind in beabstandeter, verschachtelter Beziehung angeordnet und besitzen Zentren, die allgemein mit dem Zentrum 11 ausgerichtet sind und mit diesem übereinstimmen. Das dünnwandige achteckige Rohr 18 ist in beabstandeter Beziehung zu dem Rohr 14 angeordnet, und der Spalt zwischen der Außenwand 15 des Rohres 14 und der Innenwand 17 des Rohres 18 ist mit einem Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial 16 gefüllt. Eine Mehrzahl thermoelektrischer Module 50 ist zwischen dem dünnwandigen achteckigen Rohr 18 und dem dünnwandigen runden Rohr 30 positioniert.
Die Temperatur des Abgases, das den katalytischen Wandler eines Dieselmotors verlässt, kann im Bereich von etwa 190°C bis etwa 500°C im Normalbetrieb abhängig von der Last liegen. Wie nachfolgend vollständiger diskutiert ist, besteht die Rolle des Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterials 16 darin, diese Änderungen der Abgastemperatur zu moderieren oder zu dämpfen, so dass die heiße Seite des thermoelektrischen Moduls 50 bei einer konstanteren Betriebstemperatur beibehalten wird.
Wie am besten in 4 gezeigt ist, umfasst jedes thermoelektrische Modul 50 eine Mehrzahl unähnlicher thermoelektrischer Elemente 22, 22', hier als Halbleiterelemente gezeigt, wobei 22 ein Element vom p-Typ repräsentiert und 22' ein Element vom n-Typ repräsentiert. Die einzelnen Elemente 22 und 22' sind miteinander durch eine Mehrzahl elektrischer Verbindungen 24 elektrisch verbunden und zwischen einer ersten elektrisch nicht leitenden Montageplatte 20 und einer zweiten elektrisch nicht leitenden Montageplatte 26 montiert. Der Kontakt der Montageplatte 20 zu einer erhöhten Temperatur in Verbindung mit dem Kontakt der Montageplatte 26 zu einer geringeren Temperatur ermöglicht einen Wärmefluss 42 und resultiert darin, dass das Modul 50 elektrische Energie erzeugt, die durch Verbinder 44 und 46 abgreifbar ist. Gefüllte oder teilweise gefüllte Skutterudite auf Grundlage von Co₄Sb₁₂ sind bevorzugt als die halbleitenden Elemente mit der Zusammensetzung Ce_xCoFe₃Sb₁₂, wobei x Werte zwischen 0 und 1 annimmt, die für Elemente vom p-Typ am bevorzugtesten ist, und mit der Zusammensetzung Ba_0,08La_0,05Yb_0,04Co₄Sb_12,05 verwendet, das für Elemente vom n-Typ am bevorzugtesten ist. Jedoch können auch andere gefüllte oder teilweise gefüllte Skutterudite auf Grundlage von Co₄Sb₁₂ mit ”Gast”- oder Füllatomen, die eines oder mehrere aus Na, K, Ca, Sr, Ba, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, La und Yb in geeignetem Prozentsatz sein können, ebenfalls verwendet werden.
Zurück zu 3 ist die erste elektrisch nicht leitende Montageplatte 20 in thermischem Kontakt mit der Außenwand 19 des achteckigen dünnwandigen Rohres 18 angeordnet, während die zweite elektrisch leitende Montageplatte 26 in eine thermisch leitende, fließbare Paste 28 in thermischem Kontakt mit der Innenwand 29 des runden dünnwandigen Rohres 30 eingebettet ist. Geeignete thermisch leitende Pasten umfassen Omegatherm OT-201, Thermally Conductive Silicone Paste (Omega Engineering, Inc., Stamford, Connecticut) und AOS Non-Silicone XT-3 Heat Sink Compound (AOS Thermal Compounds, Eatontown, New Jersey). Typischerweise werden elektrisch nicht leitende Montageplatten 22 und 26 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt, wobei jedoch andere Materialien, wie Aluminiumnitrid (AlN) mit besserer thermischer Leitfähigkeit verwendet werden können.
Thermoelektrische Module sind in der Draufsicht allgemein quadratisch und können in einem Bereich von Draufsicht-Abmessungen von etwa 10 mm × 10 mm bis etwa 60 mm × 60 mm, am üblichsten 30 mm × 30 mm und 40 mm × 40 mm mit einer typischen Höhe einschließlich der nichtleitenden Montageplatten zwischen 3 und 5 mm erhalten werden. Für einen optimalen Ausgang sollten die Draufsicht-Abmessungen des Moduls so gewählt sein, dass sie mit den Abmessungen und der Geometrie der Montagefläche übereinstimmen. Beispielsweise ist die Abmessung der Montagefläche des achteckigen Rohres 18, wie in 2 gezeigt ist, als ”d” angegeben. Module der Draufsicht-Abmessung ”d” oder mehrere Module, deren Draufsicht-Abmessungen sich zu ”d” aufsummieren, ermöglichen eine Anordnung der maximalen Anzahl von Modulen an der Außenfläche 19 der Wand 18 des thermisch leitenden Rohres und unterstützen somit eine maximale Elektrizitätserzeugung.
Der Spalt zwischen der Außenwand 31 des runden dünnwandigen Rohres 30 und der Innenwand 37 des runden dünnwandigen Rohres 38 ist mit Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32 gefüllt, innerhalb dem Kanäle 34 zum Durchgang von Kühlmittel 36 positioniert sind. Wie nachfolgend deutlicher wird, dient das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32 dazu, den Einfluss von Abgastemperaturänderungen auf die Temperatur der kalten Verbindungsstelle des thermoelektrischen Moduls 50 zu moderieren.
Es sei angemerkt, dass die gezeigte spezifische Geometrie beispielhaft und nicht beschränkend ist, und dass andere Konfigurationen und Anordnungen durch die gezeigten Elemente angenommen werden können. Beispielsweise können die Kühlmittekanäle 34 und das zugeordnete Kühlmittel 36 weggelassen werden und die Kühlung des Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterials durch einen Durchgang von Umgebungsluft über die Außenfläche 39 des runden dünnwandigen Rohres 38 erreicht werden. Ferner braucht die Außenfläche 39 des dünnwandigen Rohres 38 nicht glatt zu sein, sondern kann Rippen oder ähnliche Merkmale besitzen, um eine effiziente Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu unterstützen. Ähnlicherweise können beliebige der Rohre 14, 18, 30 und 38 einen breiten Bereich von Querschnitten aufweisen, einschließlich rund, oval, polygonal oder regelmäßig polygonal, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken. Ähnlicher Weise kann ein entsprechendes thermisch leitendes Medium, das sich bei den interessierenden Betriebstemperaturen nicht verschlechtert, analog der thermisch leitenden Paste 28 die auf die Innenfläche 29 des Rohres 30 aufgetragen gezeigt ist, auf die Außenfläche 19 des Rohres 18 aufgetragen werden, um den thermischen Kontakt mit Montageflächen 20 und 26 des thermoelektrischen Moduls 50 zu steigern. Eine thermisch leitende Paste 28 oder ein analoges Material kann auch vorteilhaft verwendet werden, um jegliche mikroskopischen Spalte zu füllen, die beispielsweise aufgrund von Oberflächenflächenrauheit zwischen zwei nominell flachen, in Kontakt stehenden Flächen entstehen.
5 zeigt eine Längs-Schnittansicht der thermoelektrischen Vorrichtung 10, die Befestigungssegmente 82 und 84 umfasst, und zeigt, wie sie zwischen Segmente des Abgasrohres 80, 81, wie in fragmentarischer Ansicht gezeigt ist, eines Fahrzeugs eingesetzt werden können. Einzelheiten des/der Verfahren einer dauerhaften oder freigebbaren Sicherung oder Befestigung von Segmenten 82 und 84 an Abgasrohren 80 und 81, einschließlich Schweißen, miteinander verschraubte Flanschverbindungen oder geklemmte Schnapppassungsverbindungen, sind dem Fachmann gut bekannt und nicht gezeigt.
Die thermoelektrische Vorrichtung 10 ist mit einem divergierenden Abschnitt 82 und einem konvergierenden Abschnitt 84 und einer größeren Innenabmessung, als der der Abgasrohre 80, 81 gezeigt. Eine derartige Geometrie besitzt verschiedene Vorteile. Sie ermöglicht eine Innenfläche 13 mit größerer Oberfläche des achteckigen Rohres, was eine Anordnung einer erhöhten Fläche thermoelektrischer Module zulässt und einen größeren elektrischen Leistungsausgang unterstützt. Sie resultiert auch in einer lokalen Reduzierung des Abgasdurchflusses, wodurch eine längere Verweildauer des Abgases in dem dünnwandigen Rohr 14 zugelassen wird und dadurch eine vollständigere Entnahme der thermischen Energie der Abgase für eine erhöhte elektrische Abgabe ermöglicht wird. Während eine derartige Konfiguration bevorzugt ist, ist sie nicht erforderlich. Es können verschiedene relative Abmessungen von Abgasrohren 80, 81 und des Innenrohres 14 in Ansprechen beispielsweise auf Einbaubeschränkungen angenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
Die Rohröffnungen sind durch ringförmige Endkappen 72 und 74 im Wesentlichen geschlossen, die in Verbindung mit Reservoirs 64 und 62 wirken. Die Endkappen 72 und 74 sind einzeln an jedem der Rohre 14, 18, 30 und 38 durch ein geeignetes Mittel, wie durch Hartlöten, befestigt, um einzelne Fächer zu bilden, um die Phasenänderungsmaterialien und die thermoelektrischen Module aufzunehmen und zu separieren. Somit sind sowohl das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32 als auch das Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial 16 in ihren jeweiligen Volumen enthalten. Ähnlicherweise ist das Gebiet zwischen den dünnwandigen Rohren 18 und 30, das durch thermoelektrische Module 50 und eine thermisch leitende Paste 28 besetzt ist, abgedichtet. Dieses Gebiet kann evakuiert oder mit einem Inertgas gefüllt sein, um eine Oxidation oder Verflüchtigung der thermoelektrischen Elemente 22, 22' (4) und der Paste 28 auszuschließen oder zu minimieren.
Abgase strömen entlang und durch den Durchgang, der durch die Innenfläche 13 der Wand des dünnwandigen Rohres 14 geformt ist, in einer Richtung, die durch Pfeil 60 angegeben ist, und übertragen Wärme durch die Wand 14 an ein erstes Phasenänderungsmaterial 16. Das Phasenänderungsmaterial ist allgemein in dem Spaltvolumen zwischen den Rohren 14 und 18, das durch Endkappen 72 und 74 beschränkt ist, enthalten, weist jedoch auch das eingeschlossene externe Volumen 64 auf. Das Phasenänderungsmaterial ist bei Umgebungstemperatur von etwa 25°C typischerweise ein Feststoff und schmilzt bei einer Temperatur, die vergleichbar mit, jedoch nicht größer als die maximale bevorzugte Betriebstemperatur des thermoelektrischen Moduls ist.
Die Phasenänderungsmaterialien dienen als effiziente Wärmereservoirs mit im Wesentlichen konstanter Temperatur und nutzen typischerweise die Phasenänderung eines Feststoffes zu einer Flüssigkeit und umgekehrt. Wenn ein Feststoff auf seinen Schmelzpunkt erwärmt wird und schmilzt, speichert er Energie als latente Wärme, und setzt sie frei, wenn er kühlt und sich verfestigt. Reine Materialien, kongruent schmelzende Legierungen oder Verbindungen oder eutektische Zusammensetzungen von Legierungen und Verbindungen schmelzen bei einer fixierten Temperatur. Somit ist ein Phasenänderungsmaterial, das aus einer dieser Arten von Materialien besteht, in der Lage, Wärme ohne Zunahme oder Abnahme der Temperatur bei seinem Schmelzpunkt für so lange zu absorbieren und freizusetzen, wie es sowohl Feststoff als auch Flüssigkeit enthält. Somit ist er in der Lage, das thermoelektrische Modul von temporären Schwankungen der Abgastemperatur zu Puffern. Somit fördert beispielsweise eine kurzzeitige Zunahme der Abgastemperatur zusätzliche Wärme an das Phasenänderungsmaterial und resultiert folglich in einem Schmelzen von einigem zusätzlichem Feststoffmaterial. Jedoch wird, da das Schmelzen bei einer konstanten Temperatur stattfindet, das thermoelektrische Modul weiterhin einer allgemein konstanten Temperatur der heißen Verbindungsstelle ausgesetzt. Ähnlicherweise löst eine kurzzeitige Reduktion der Abgastemperatur ein Gefrieren eines Teils der Flüssigkeit und eine Wärmefreisetzung aus, um wiederum die heiße Verbindungsstelle des thermoelektrischen Moduls bei einer allgemein konstanten Temperatur zu halten.
Bei allen anderen Temperaturen, d. h. wenn das Phasenänderungsmaterial vollständig fest oder vollständig flüssig ist, verhält sich das Phasenänderungsmaterial typischerweise so, dass es seine Temperatur erhöht, wenn es Wärme absorbiert, und seine Temperatur verringert, wenn es Wärme freisetzt. Auch hängt die Wärmemenge, die in einem Phasenänderungsmaterial gespeichert sein kann, von seinem Volumen (oder seiner Masse) ab. Somit sollte das Volumen (oder die Masse) des Phasenänderungsmaterials gemäß sowohl der Größe der erwarteten Schwankungen der Abgastemperatur als auch der Dauer einer derartigen Schwankung vorgewählt werden. Eine herkömmliche Basis für eine derartige Bestimmung kann die Abgastemperaturschwankung sein, die während Dynamometertestvorgehensweisen auftreten, die zur Bildung vergleichender Kraftstoffwirtschaftlichkeitsdaten durchgeführt werden. Ein Beispiel kann der U.S.-FTP-72 (Federal Test Procedure) Zyklus sein, der als Repräsentation eines Stadtfahrzyklus bestimmt ist.
Für maximale Effektivität und Nutzbarkeit in dieser Anmeldung sollte die Phasenänderungstemperatur des gewählten Materials eng der Sollbetriebstemperatur der thermoelektrischen Vorrichtung entsprechen. Erfindungsgemäß weist das erste Phasenänderungsmaterial daher einen Schmelzpunkt von 350 bis 415°C auf. Beispielhafte Materialien und binäre Legierungen, die bei Temperaturen zwischen etwa 350°C und 415°C schmelzen und daher mit den thermoelektrischen Zusammensetzungen aus gefülltem Skutterudit, wie vorher erwähnt ist, kompatibel sind, umfassen (Schmelzpunkte in Klammern): Al_0,33Zn_0,67 (382°C); Ca_0,22Zn_0,78 (385°C); Ba_0,65Mg_0,35 (358°C); Cu_0,14Sn_0,86 (415°C); KOH (360°C); ZnBr₂ (394°C) und InI (351°C). Es sei angemerkt, dass eine zusätzliche Anforderung darin besteht, dass das Phasenänderungsmaterial mit seinen Behältnismaterialien kompatibel sein sollte und mit diesen Behältnismaterialien nicht reagiert, eine Legierung damit bildet, diese nicht korrodiert oder versprödet.
Das Volumen des Phasenänderungsmaterials, das erforderlich ist, variiert auf Grundlage einer Anzahl von Faktoren, einschließlich dem Motorwirkungsgrad, der latenten Wärme/Volumeneinheit des Phasenänderungsmaterials und dem Volumen an emittiertem Abgas. Selbstverständlich variiert das Abgasvolumen allgemein auch mit der Motorkapazität.
Als ein Beispiel wird ein großes SUV mit einem V-8-Motor mit 5,3 l und einem Leergewicht von etwa 2700 Kilogramm betrachtet. Es wird erwartet, dass ein derartiges Fahrzeug eine rückgewinnbare Abgasenergie von etwa 350 Watt gemittelt über den gesamten Stadt-FTP-Zyklus erzeugt, jedoch eine Spitzenabgabe von etwa 750 Watt für ein Maximum von etwa 180 Sekunden erzeugt. Wenn somit das thermoelektrische System bemessen und angepasst ist, die durchschnittliche Abgabe von 350 Watt anzupassen, sollte die Menge des Phasenänderungsmaterials so gewählt sein, dass der kurzzeitige Leistungsüberschuss von etwa 20 Watt-Stunden (750 – 350 = 400 Watt Überschuss über 180 Sekunden = 1/20 Stunden) zeitweilig gebunden wird. Wenn das gewählte Phasenänderungsmaterial die Cu_0,14Sn_0,86 Legierung ist, die eine Schmelzwärme von etwa 20 Watt-Stunden pro Kilogramm besitzt, dann sind etwa ein Kilogramm an Phasenänderungsmaterial erforderlich. Während das spezifische Beispiel, das zitiert ist, illustrativ und nicht beschränkend ist, sei angemerkt, dass die beschriebene Vorgehensweise leicht auf andere Fahrzeuge und Betriebsbedingungen angepasst und angewendet werden kann.
Durch gemeinsame Betrachtung der 4 und 5 wird deutlich, dass die durch das Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial 16 übertragene Wärme die Temperatur der heißen Seite erhöht, dies ist die Seite, die der elektrisch nicht leitenden Montagefläche 22 des thermoelektrischen Moduls 50 entspricht. Die zweite elektrisch nicht leitende Montagefläche 26 in gutem thermischem Kontakt mit dem dünnwandigen Rohr 30 durch die thermisch leitende Paste 28 wird durch das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32 bei niedriger Temperatur gehalten, hier als durch Durchgang von Motorkühlmittel 36 in Kanälen 34 in der durch Pfeile 35 angegebenen Richtung gekühlt gezeigt. Somit wird ein Temperaturgradient über die einzelnen thermoelektrischen Elemente 22 und 22' hergestellt, die elektrische Energie erzeugen, die durch Leiter 44' und 46', die mit Verbindern 44 und 46 verbunden sind, entnommen werden kann.
Eine wichtige Charakteristik thermoelektrischer Materialien besteht darin, dass sie eine geringe thermische Leitfähigkeit besitzen, so dass die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und kalten Verbindungsstelle der Vorrichtung beibehalten werden kann. Jedoch erlauben sogar Materialien mit geringer thermischer Leitfähigkeit einen Durchgang gewisser Wärme und stellen einen Temperaturgradienten auf Grundlage eines Gleichgewichts zwischen der Rate, mit der Wärme durch die thermoelektrischen Elemente geleitet wird, und der Rate her, mit der die Wärme an die kalte Verbindungsstelle verloren geht. Allgemein hängt die Rate des Wärmeverlusts durch die kalte Verbindungsstelle von der Temperatur der Verbindungsstelle und der thermischen Umgebung in der unmittelbaren Nähe der Verbindungsstelle ab. In einer stabilen thermischen Umgebung kann die Temperatur der kalten Verbindungsstelle relativ stabil bleiben, und ein Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial in thermischer Kommunikation mit der Niedertemperatur-Verbindungsstelle braucht möglicherweise nicht notwendig sein.
Wenn jedoch die thermische Umgebung nicht angemessen stabil ist, kann eine signifikante Schwankung der Temperatur der kalten Verbindungsstelle vorhanden sein. In dieser Situation kann es daher bevorzugt sein, eine stabilere kalte Verbindungsstelle durch Verwendung eines zweiten Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterials als ein Kühlkörper für die kalte Verbindungsstelle beizubehalten.
Das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial ist für Kompatibilität mit der erwarteten Betriebstemperatur der kalten Verbindungsstelle des thermoelektrischen Moduls gewählt. Erfindungsgemäß weist das zweite Phasenänderungsmaterial einen Schmelzpunkt von 10 bis 100°C auf. In der gezeigten Konfiguration mit zirkulierendem Motorkühlmittel wird vorzugsweise ein Material, das einem Phasenwechsel bei etwa normaler Motorkühlmitteltemperatur, typischerweise zwischen 90°C und 100°C ausgesetzt ist, verwendet. Zahlreiche Phasenänderungsmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt sind kommerziell mit Phasenänderungstemperaturen zwischen etwa 10°C bis 100°C verfügbar. Einige Beispiele, die zum Gebrauch mit 90–100°C Kühlmittel geeignet sind, umfassen (Schmelzpunkte sind in Klammern angegeben): E89(89°C) und E83(83°C) – beide von EPS Limited, Yaxley, UK erhältlich; H89(89°C) – erhältlich von TEAP Energy, Wangara dc, Australia und RT90 (90°C) – erhältlich von RubiTherm GmbH, Berlin, Deutschland. Zusätzlich sind zahlreiche Metalllegierungen mit geringem Schmelzpunkt auf Grundlage eutektischer oder nahezu eutektischer binärer, ternärer oder quaternärer Legierungen von Bismut, Zinn, Blei, Cadmium und Indium bekannt. Die Schmelzpunkte von zahlreichen dieser Legierungen liegen im Bereich von etwa 35°C bis 100°C.
Somit kann ein beliebiges einer Mehrzahl verfügbarer Phasenänderungsmaterialien mit einer Phasenänderungstemperatur im Wesentlichen gleich der Temperatur der Niedertemperaturverbindungsstelle gewählt werden. Ihrerseits wird die Temperatur der Niedertemperaturverbindungsstelle durch die Temperatur des Kühlmediums und seine Fähigkeit zur Entnahme der gesamten durch die Elemente geleiteten Wärme bestimmt. Somit kann das Motorkühlmittel durch ein separates Reservoir geführt werden, um seine Temperatur weiter zu verringern oder eine Flüssigkeitskühlung kann vollständig weggelassen werden und eine Zwangsluftkühlung verwendet werden. Diese Strategien können in einer geringeren Temperatur der kalten Verbindungsstelle resultieren, als unter Verwendung von 90–100°C Motorkühlmittel erreichbar ist, und eine Wahl des Phasenänderungsmaterials erfordern, das sich von einigen der zitierten Beispiele unterscheidet.
Ähnlich dem Phasenänderungsmaterial der heißen Verbindungsstelle ist das Phasenänderungsmaterial 32 der kalten Verbindungsstelle (5) vollständig in dem Spalt zwischen den dünnwandigen Rohren 30 und 38 enthalten und an einem Ende durch Segmente der Endkappe 72 und 74 und das Reservoir 82 begrenzt. Kanäle 34, die in das Phasenänderungsmaterial 34 eingebettet sind, werden abgedichtet, wenn sie in die Endkappen 72, 74 eindringen.
Die Reservoirs 62 und 64 dienen dazu, Volumenänderungen anzupassen, die sowohl eine thermische Expansion als auch wichtiger die Umwandlung des festen Phasenänderungsmaterials in Flüssigkeit begleiten. Es ist bevorzugt, dass das gesamte verfügbare Volumen zur Rückhaltung des Phasenänderungsmaterials gefüllt ist, wenn das Phasenänderungsmaterial flüssig ist. Somit werden die Reservoirs 62 und 64 mit Flüssigkeit gefüllt, die über das Niveau des verbleibenden Phasenänderungsmaterials erhöht ist. Beim Kühlen, wenn sich das Phasenänderungsmaterial während der Verfestigung zusammenzieht, ist die in den Reservoirs 62 und 64 gespeicherte Flüssigkeit schwerkraftgeführt, um die Schrumpfung zu kompensieren. Es sei angemerkt, dass das Reservoir benachbart in dem heißen eintretenden Abgas positioniert ist und daher der letzte Bereich, der sich verfestigt, sein sollte. Auch wird erwartet, dass das erste Gebiet des Phasenänderungsmaterials, das sich verfestigt, dort ist, wo das Abgas am kühlsten ist, d. h. benachbart der Endplatte 74. Somit sind die Reservoirs 62 und 64 gut positioniert, um Flüssigkeit zur Kompensation der Volumenänderung von Flüssigkeit zu Feststoff über den Verfestigungsprozess zuzuführen. Es sei angemerkt, dass in der Abwesenheit derartiger Reservoirs die resultierende nicht kompensierte Volumenkontraktion des Materials zu Schrumpfungshohlräumen führen kann, die den Wärmefluss durch das Phasenänderungsmaterial stören können.
Aus einer Prüfung von 5 wird offensichtlich, dass die thermoelektrischen Module 50 zusätzlich dazu, dass sie um das Rohr 14 angeordnet sind, sich auch entlang der Länge der thermoelektrischen Vorrichtung erstrecken. 6 zeigt in einer zusammengesetzten Ansicht zwei Aspekte einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, die versucht, den Wirkungsgrad einer derartigen erweiterten thermoelektrischen Vorrichtung weiter zu steigern.
Die in dem Abgas gespeicherte Wärme ist endlich, so dass das Abgas, wenn es entlang der Länge des Rohres 14 verläuft, Wärme an die thermoelektrischen Module verliert und die Abgastemperatur progressiv abnimmt. Die Wirkung eines gewissen Grades an Temperaturabnahme auf den thermoelektrischen Wirkungsgrad kann durch die Fähigkeit des Phasenänderungsmaterials, eine konstante Temperatur beizubehalten, gemindert werden. Wenn jedoch die Temperaturabnahme signifikant ist, überschreitet sie die Fähigkeit des Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterials, diese zu mäßigen. In diesem Fall ist die Auswahl des Materials des thermoelektrischen Elements ein Kompromiss, da der thermoelektrische ”Spitzen”-Wirkungsgrad gegenüber dem Temperaturansprechen notwendigerweise zur Folge hat, dass nur ein Anteil der Module bei ihrem optimalen Temperaturbereich arbeiten. Um diese Abnahme des Wirkungsgrades zu berücksichtigen, können zwei separate Gruppen thermoelektrischer Module 50, 50' verschiedener Zusammensetzung verwendet werden, wie in 6 gezeigt ist. Bevorzugt ist jede Gruppe thermoelektrischer Module gewählt und in einer Temperaturzone in dem Rohr 14 zum Betrieb bei ihrem maximalen Wirkungsgrad positioniert. Ferner steht jede Gruppe mit seinem individuellen Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial 16, 16' in Verbindung, das für eine Kompatibilität der Phasenänderungstemperatur mit der Temperatur gewählt ist, bei der die thermoelektrischen Module am effizientesten arbeiten.
Es sind zwei Konfigurationen der Niedertemperaturverbindungsstelle gezeigt. Bei einem Aspekt überspannt ein einzelnes Volumen am Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32' die Länge der Vorrichtung und wird durch eine Strömung von Motorkühlmittel 36 gekühlt, das in den Kanälen 34 enthalten ist und in der Richtung, die durch Pfeil 35 angegeben ist, strömt. In einem zweiten Aspekt stehen separate Volumen, die jeweils verschiedene Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterialien 32' und 32'' enthalten, mit jedem der thermoelektrischen Module 50 und 50' und ihren jeweiligen Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterialvolumen 16, 16' in Verbindung und sind in Ausrichtung mit diesen positioniert. Ferner ist jedes Niedertemperatur-Phasenänderungsvolumen individuell durch Durchgang von Motorkühlmittel gekühlt. Das Volumen, das das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32' enthält, wird durch die durch Pfeile 135 angegebene Strömung gekühlt und tritt bei Einlass 137 ein und tritt bei Auslass 138 aus: das Volumen, das das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial 32'' enthält, wird durch eine durch Pfeile 135' angegebene Strömung gekühlt, die bei Einlass 137' eintritt und bei Auslass 138' austritt.
Die Ausführungsform von 6 ist unter Bezugnahme auf nur zwei Gruppen thermoelektrischer Vorrichtungen beschrieben und veranschaulicht worden. Es ist jedoch offensichtlich, dass die Ausdehnung der Ausführungsform zum Einschluss noch zusätzlicher thermoelektrischer Module und zugeordneter Phasenänderungsmaterialien denkbar sein kann.
Die Reservoirs für die Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterialien unterscheiden sich von denen, die in 5 gezeigt und durch 62 für das Niedertemperatur-Phasenänderungsmaterial angegeben sind. Die Reservoirs 66, 67 umfassen ausdehnbare Metall-Faltenbalge 68, die in einem entlasteten Zustand vollständig zusammengelegt sind, jedoch in Ansprechen auf eine Volumenausdehnung der Flüssigkeit sich expandieren und ihr Speichervolumen erhöhen und kontrahieren und ihr Speichervolumen reduzieren, wenn sich die Flüssigkeit verfestigt und zusammenzieht. Die Reservoirs sind an der heißesten Stelle positioniert, der das jeweilige Phasenänderungsmaterial ausgesetzt ist, so dass jegliches Material, das in dem Reservoir enthalten ist, aus den vorher beschriebenen Gründen das erste ist, das schmilzt, und das letzte ist, das sich verfestigt. Das Reservoir 66 kann außerhalb des dünnwandigen Rohres 14 positioniert sein, jedoch kann das Reservoir 67 in der Abgasströmung angeordnet sein, wie gezeigt ist.
Die Vorteile der Kopplung von Phasenänderungsmaterialien mit thermoelektrischen Vorrichtungen können leicht durch Betrachtung der 7 und 8 erkannt werden, die die Wirkungen der Änderung der Motorbetriebsbedingungen auf den Betrieb und die Leistungsfähigkeit der thermoelektrischen Vorrichtungen mit (8) und ohne (7) die Phasenänderungsmaterialien veranschaulichen.
Zuerst wird das Verhalten betrachtet, wenn die Phasenänderungsmaterialien abwesend sind. 7 trägt die Temperatur (T) der Abgase, Kurve 105, und der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung, Kurve 115, mit der Zeit (t) über Perioden 102 bis 110 auf, die beginnend von einem kalten Motor variierende Motorbetriebsbedingungen repräsentieren. Anfänglich, wenn der Motor gestartet wird und sich aufzuwärmen beginnt, nimmt die Abgastemperatur progressiv zu, wie in der Zeitperiode 102 gezeigt ist. Die Temperatur der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung, Kurve 115, steigt ähnlicher Weise, ist jedoch geringer als die Temperatur des Abgases und verzögert die Temperatur des Abgases. Wenn der Motor seine normale Betriebstemperatur erreicht hat und in einem gewissen stabilen Zustand arbeitet, Periode 104, weist die Abgastemperatur 105 ein Temperaturplateau auf. Die Verbindungsstellentemperatur 115 der thermoelektrischen Vorrichtung zeigt ähnlicherweise ein Plateau, jedoch bei einer geringeren Temperatur.
In 7 ist auch die maximale Betriebstemperatur der thermoelektrischen Vorrichtung TE max / TE und die entsprechende Abgastemperatur, die als TE max / EX bezeichnet ist, gezeigt. Innerhalb der Zeitperiode 106 wird der Motor unter Schwerlast, beispielsweise harter Beschleunigung, betrieben, und die Abgastemperatur steigt schnell und überschreitet TE max / EX . Ein fortgesetzter Durchgang des Abgases über die thermoelektrische Vorrichtung bewirkt, dass ihre Temperatur der heißen Verbindungsstelle TE max / TE . überschreitet. Um dies zu vermeiden, wird das Abgas durch Verfahren, die später beschrieben werden, abgefangen und umgelenkt und entlang eines anderen Pfades geführt, der die thermoelektrische Vorrichtung umgeht, so dass während der Zeitperiode 112 die thermoelektrische Vorrichtung nicht dem Abgas ausgesetzt ist und abkühlt. Am Ende der Zeitperiode 106 kehrt der Motorzustand in einen Leerlaufzustand zurück, und während der Zeitperiode 108 fällt die Abgastemperatur. Wenn sie unter TE max / EX fällt, was das Ende der Periode 112 signalisiert, wird das Abgas wiederum zur Strömung über und Erwärmung der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung geführt, so dass ihre Temperatur zu steigen beginnt. Bei Zeitperiode 110 wird der Motor im stabilen Zustand betrieben und behält eine allgemein konstante Abgastemperatur von weniger TE max / EX bei. Dementsprechend ist die Temperatur der thermoelektrischen Vorrichtung bei einer sicheren Betriebstemperatur von kleiner als TE max / TE beibehalten.
8 zeigt das Verhalten eines ähnlichen thermoelektrischen Moduls, bei dem sowohl die heißen als auch kalten Verbindungsstellen den thermischen Kontakt mit einem geeigneten Phasenänderungsmaterial gehalten werden, das derselben Progression der Motorbetriebsbedingungen und der Abgastemperaturen, wie in 8 gezeigt ist, ausgesetzt ist. Ein Vergleich der 7 und 8 gibt an, dass das Verhalten dieser Konfiguration, die durch die Abgastemperaturkurve 105 und die Kurve 125 der Temperatur der thermoelektrischen heißen Verbindungsstelle repräsentiert ist, im Wesentlichen äquivalent zu der der Konfiguration ohne die Phasenänderungsmaterialien ist. Jedoch werden unter dem Schwerlastzustand der Zeitperiode 106 dramatische Unterschiede offensichtlich. Mit der Fähigkeit des thermoelektrischen Materials zur isothermen Absorption von Wärme, keine Zunahme der Temperatur der thermoelektrischen Verbindung, resultiert Kurve 125 während der Zeitperiode 106 trotz der schnellen Zunahme der Abgastemperatur, die durch Kurve 105 festgelegt ist. Mit dieser Absorption von Wärme durch das Phasenänderungsmaterial, die während der Zeitperiode 122 auftritt und durch die abwärts zeigenden Pfeile 121 dargestellt ist, ist es unnötig, das Abgas umzulenken, und der maximale Ausgang kann von der thermoelektrischen Vorrichtung ohne Problem einer Überhitzung der thermoelektrischen Vorrichtung abgeleitet werden. Während des Motorleerlaufs, Zeitperiode 108, und der resultierenden Abnahme der Abgastemperatur fährt die Freisetzung der Wärme von dem Phasenänderungsmaterial während der Zeitperiode 124 und durch aufwärts zeigende Pfeile 123 dargestellt fort, eine allgemein konstante Temperatur der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung beizubehalten. Wiederum unterstützt diese Konstanz der Temperatur an der heißen Verbindungsstelle der thermoelektrischen Vorrichtung den Erhalt eines maximalen Leistungsausgangs von der Vorrichtung, in diesem Fall sogar unter Motorbetriebsbereichen mit geringer Abgastemperatur. Eine Wiederaufnahme des Betriebs im stabilen Zustand während der Zeitperiode 110 erzielt ein Vorrichtungsansprechen, das im Wesentlichen identisch zu dem ist, das in 7 während derselben Zeitperiode gezeigt ist.
In der Diskussion der in 7 gezeigten Temperaturprofile wurde angemerkt, dass unter gewissen Motorbetriebsbedingungen es notwendig sein kann, die Abgase umzuleiten, um eine Überhitzung und dadurch Verschlechterung der thermoelektrischen Vorrichtung zu vermeiden. Ein Verfahren zum Umlenken der Gase nach Bedarf ist in 9 gezeigt, die einen Anteil des in 1 gezeigten Abgassystems zeigt und modifizierte Abgasrohrsegmente 80' und 81' enthält, an denen das Umlenkrohr 136 befestigt ist. Das Umlenkrohr 136 verzweigt sich in Rohrsegmente 80' und 81' in eine Y-Konfiguration, die Fluidstörungen minimiert und die Erzeugung eines zusätzlichen Gegendrucks minimiert, der sich mit einem effizienten Motorbetrieb überlagern kann. An dem Punkt des ”Y”, der das Umlenkrohr 136 und das Rohr 81' umfasst, ist ein Klappenventil 132 montiert, das sich um einen Schwenkzapfen 130 dreht, der an dem Punkt des ”Y” angeordnet und in der Lage ist, um den Schwenkzapfen 130 entlang des Bogens gedreht zu werden, der durch das Bogensegment 134 mit Doppelpfeil gezeigt ist. Wenn das Klappenventil 132 mit seinem Ende an der Stelle 137 positioniert ist, strömt das Abgas durch die thermoelektrische Vorrichtung 10; wenn das Klappenventil 132 mit seinem Ende an der Stelle 139 positioniert ist, strömt das Abgas durch das Umlenkrohr 136. Somit kann in Ansprechen auf ein Temperatursignal, das auf eine Abgastemperatur anspricht, die beispielsweise durch das Thermoelement 140 gemessen wird, ein Controller (nicht gezeigt) beispielsweise durch einen Elektromotor (nicht gezeigt) das Klappenventil 132 betätigen, um die Abgase durch die thermoelektrische Vorrichtung 10 oder das Umlenkrohr 136 steuerbar zu lenken. Es sei angemerkt, dass mit diesem Aufbau das Abgas durch entweder das Umlenkrohr 136 oder die thermoelektrische Vorrichtung 10 strömt, so dass ein einfacher EIN-AUS-Controller angemessen ist. Wenn die Abgastemperatur unter TE max / EX fällt, wird die Abgasströmung durch die thermoelektrische Vorrichtung umgelenkt. Eine gewisse Hysterese kann enthalten sein, um einen schnellen Wechsel zwischen den EIN- und AUS-Bedingungen zu vermeiden.
Die oben beschriebene Steuerstrategie, die nur auf die Abgastemperatur anspricht, ist konservativ und bringt keinen Vorteil der temperaturstabilisierenden Eigenschaften des Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterials.
Für Vorrichtungen 10, die Phasenänderungsmaterialien enthalten, ist es bevorzugt, die Temperatur des Phasenänderungsmaterials zu nutzen, um eine Umlenkung des Abgasstroms auszulösen und das Phasenänderungsmaterial zu verwenden, um kurzzeitige Abgastemperaturabweichungen anzupassen. Somit wird anfänglich die thermoelektrische Vorrichtung von den Wirkungen einer Abgastemperatur oberhalb TE max / EX durch das Wärme absorbierende Verhalten des Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterials, wie in 8 gezeigt ist, isoliert. Jedoch ist die Periode, während der das Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterial bei der Stabilisierung der Temperatur und Pufferung der thermoelektrischen Module von Abgastemperaturen von größer als TE max / EX effektiv ist, notwendigerweise durch das Volumen oder die Masse des verwendeten thermoelektrischen Materials beschränkt. Unter gewissen Bedingungen, beispielsweise unter anhaltender Schwerlast ähnlich dem, was auftritt, wenn eine steile Steigung erklommen wird oder ein schwerer Anhänger gezogen wird, kann das gesamte Volumen des Phasenänderungsmaterials schmelzen und dadurch unfähig zur weiteren Wärmeabsorption gemacht werden, was zu einer Überhitzung der thermoelektrischen Module führt. Da unter diesen Umständen keine Änderung der Abgastemperatur denkbar ist, kann die Messung der Abgastemperatur nicht allein verwendet werden, eine Umlenkung des Abgasstroms auszulösen. Hier kann eine Abgasumlenkung bei direkter Messung einer übermäßigen Temperatur der heißen Verbindungsstelle des thermoelektrischen Moduls bestimmt werden. Genauer löst eine übermäßige Temperatur des Hochtemperatur-Phasenänderungsmaterials eine Umlenkung des Abgasstroms zu dem Abgasrohr aus. Thermoelemente oder Widerstandsthermometer (nicht gezeigt), die in der thermoelektrischen Vorrichtung 10 enthalten sind, können dazu verwendet werden, diese Temperaturen zu erfassen.
Eine alternative Vorgehensweise zum Schutz gegen übermäßige Temperaturen des thermoelektrischen Moduls ist in 10 gezeigt. In dieser Konfiguration ist ein zu Umgebungsluft offener Lufteinlass 156 in das modifizierte Abgasrohrsegment 81'' eingebaut, und der Zufluss von Verdünnungsluft wird durch ein Klappenventil 152 gesteuert, das um einen Schwenkzapfen 150 entlang des Bogens schwenkt, der durch das Bogensegment 154 mit Doppelpfeil gezeigt ist, verwendet werden kann, um verdünnende Umgebungsluft in den Abgasstrom durch das Einlassrohr 156 einzuführen, um die Temperatur des Abgases zu reduzieren. In dieser Konfiguration, wenn das Ende des Klappenventils 152 an der Stelle 157 positioniert ist, findet keine Verdünnung des Abgases statt; wenn das Ende des Klappenventils 152 an einer Stelle zwischen den Anordnungen 157 und seiner maximalen Einstellung, wie in 159 gezeigt ist, positioniert ist, ist das durch die thermoelektrische Vorrichtung 10 gelangende Gas ein Gemisch aus Abgas und Luft. In dieser Konfiguration kann das Thermoelement 160 in Verbindung mit einem Controller (nicht gezeigt) und einem Ventilaktuator (nicht gezeigt) verwendet werden, um die Temperatur des strömenden Gases auf etwa die maximal ertragbare Temperatur der thermoelektrischen Vorrichtung zu steuern und das Phasenänderungsmaterial so einzusetzen, dass die Temperatur der Vorrichtung ”fein abgestimmt” wird. Wiederum ist es bei Implementierung einer derartigen Vorgehensweise notwendig, sicherzustellen, dass kein übermäßiger Gegendruck erzeugt wird. In dieser Vorgehensweise sind ein höher entwickelter Controller und zusätzliche Sensoren erforderlich. Der Controller sollte zumindest ein Proportionalcontroller sein, jedoch können fähigere Controller, wie Proportional-Integral-(PI)- oder Proportional-Integral-Differenzial-(PID)-Controller verwendet werden. Es ist auch notwendig, die Position des Klappenventils 152 entweder durch einen direkt an dem Ventil montierten oder in den Aktuator integrierten Sensor zu erfassen.
Während gewisse Ausführungen der Erfindung gezeigt worden sind, sind diese Ausführungsformen dazu bestimmt, die Erfindung zu veranschaulichen, jedoch nicht ihren Schutzumfang zu beschränken.

Claims

Thermoelektrische Vorrichtung (10), die zur Anordnung in einem Abgassystem (5) zur zeitweiligen Aufnahme und Entladung eines heißen strömenden Abgasstroms (12) von einem Verbrennungsmotor (2) zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs (1) angepasst und geformt ist, wobei die thermoelektrische Vorrichtung (10) umfasst: zumindest ein thermoelektrisches Modul (50) zum Erzeugen elektrischer Energie von der thermischen Energie des erwärmten Abgases (12), wobei die thermoelektrische Vorrichtung (10) eine Hochtemperaturseite und eine Niedertemperaturseite aufweist und um den Umfang eines Anteils des Abgasströmungspfades angeordnet ist, wobei die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung (10) in Wärmeübertragungskontakt mit dem strömenden Abgasstrom (12) steht, einen ersten Körper aus einem erstem Phasenänderungsmaterial (16) mit einem Schmelzpunkt von 350 bis 415°C, der koextensiv mit dem thermoelektrischen Modul (50) ist und um den Umfang des Abgases (12) und die Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung (10) angeordnet ist, sowie einen zweiten Körper aus einem zweiten Phasenänderungsmaterial (32) mit einem Schmelzpunkt von 10 bis 100°C, der koextensiv mit dem thermoelektrischen Modul (50) ist und um die Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Vorrichtung (10) angeordnet ist, wobei in dem Körper zweite Kanäle (34) zum Durchgang von Kühlmittel (36) positioniert sind.
Thermoelektrische Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (10) umfasst: einen hohlen länglichen Aufbau, wobei der Aufbau besitzt: eine Zentrallinie (11) entlang seiner Länge, einen inneren Ringaufbau (14, 18) gebildet aus einem inneren Rohr (14) und einem äußeren Rohr (18) und einen beabstandeten äußeren Ringaufbau (30, 38) gebildet aus einem inneren Rohr (30) und einem äußeren Rohr (38), wobei jeder Ringaufbau (14, 18; 30, 38) etwa konzentrisch mit der Zentrallinie (11) angeordnet ist, wobei der innere Ringaufbau (14, 18) ein erstes Ende und ein zweites zweiten Ende, eine Innenwand (13) und eine Außenwand (19) aufweist, wobei das Innenvolumen der Vorrichtung (10), das durch die Innenwand (13) des inneren Ringaufbaus (14, 18) begrenzt ist, offen ist, um eine Strömung von Abgas in dem Innenvolumen und entlang des Ringaufbaus (14, 18) von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende zu ermöglichen, wobei das Innenvolumen des inneren Ringaufbaus (14, 18) mit zumindest dem ersten Phasenänderungsmaterial (16) gefüllt ist, wobei der äußere Ringaufbau (30, 38) eine Innenwand (29) und eine Außenwand (39) umfasst, wobei das Innenvolumen des äußeren Ringaufbaus (30, 38) mit zumindest dem zweiten Phasenänderungsmaterial (32) gefüllt ist, wobei das thermoelektrische Modul (50) eine elektrisch isolierende erste Montagefläche (20) mit einer Dicke und eine elektrisch isolierende zweite Montagefläche (26) mit einer Dicke umfasst, wobei die Montageflächen (20, 26) eine Mehrzahl von Paaren thermoelektrisch kompatibler, elektrisch verbundener thermoelektrischer Elemente (22, 22') aufweisen, die zwischen diesen angeordnet sind, wobei die Elemente (22, 22') ein erstes Ende und ein zweites Ende besitzen, wobei das erste Ende mit der ersten Montagefläche (20) in Kontakt steht und das zweite Ende mit der zweiten Montagefläche (26) in Kontakt steht, wobei die Elemente (22, 22') ferner eine Achse aufweisen, die durch die Zentren des ersten und zweiten Endes gelangt, wobei jedes Modul (50) zwischen dem inneren Ringaufbau (14, 18) und dem äußeren Ringaufbau (30, 38) positioniert ist, wobei die erste Montagefläche (20) des Moduls (50) in thermischem Kontakt mit der Außenwand (19) des inneren Ringaufbaus (14, 18) und in thermischer Kommunikation mit dem ersten Phasenänderungsmaterial (16) steht und die zweite Montagefläche (26) in thermischem Kontakt mit der Innenwand (29) des äußeren Ringaufbaus (30, 38) und in thermischer Kommunikation mit dem zweiten Phasenänderungsmaterial (32) steht, wobei die Achsen der thermoelektrischen Elemente (22, 22') etwa rechtwinklig zu der Zentrallinie (11) des Aufbaus orientiert sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die thermoelektrischen Elemente (22, 22') Halbleiter vom n-Typ und p-Typ sind, die im Wesentlichen aus gefüllten oder teilweise gefüllten Skutteruditen bestehen, die Kobalt und Antimon umfassen, und mit einem oder mehreren Füllatome aus der Gruppe gewählt sind, die Na, K, Ca, Sr, Ba, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, La und Yb besteht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das thermoelektrische Halbleiterelement vom n-Typ die Zusammensetzung Ba_0,08La_0,05Yb_0,04Co₄Sb_12,05 umfasst.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Zusammensetzung der thermoelektrischen Halbleiterelemente vom p-Typ Ce_xCoFe₃Sb₁₂ umfasst, wobei x Werte zwischen 0 und 1 annimmt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das zweite Phasenänderungsmaterial (32) durch Motorkühlmittel (36) gekühlt ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das erste und zweite Phasenänderungsmaterial (16, 32) in einem Volumen eingegrenzt sind, das im Wesentlichen gleich dem Volumen des Phasenänderungsmaterials (16, 32), wenn es flüssig ist, ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das erste und zweite Phasenänderungsmaterial (16, 32) in einem Volumen eingegrenzt sind, das einen fixierten Abschnitt und einen ausdehnbaren Abschnitt umfasst, wobei das Volumen des ausdehnbaren Abschnitts im Wesentlichen gleich der Volumenänderung ist, der das Phasenänderungsmaterial (16, 32) ausgesetzt ist, wenn es von fest zu flüssig umgewandelt wird.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Wände (13, 15, 17, 19, 29, 31, 37, 39) des Innen- und äußeren Ringaufbaus (14, 18; 30, 38) geschlossen sind und längliche dünnwandige Elemente sind, von denen jedes im Querschnitt eine Form besitzt, die aus einem oder mehreren der Gruppe besteht, die aus kreisförmig, oval oder polygonal besteht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, in der ein thermischer Kontakt zwischen zumindest einer der ersten Montagefläche (20) des thermoelektrischen Moduls (50) und der Außenwand (19) des inneren Ringaufbaus (14, 18) und der zweiten Montagefläche (26) des thermoelektrischen Moduls und der Innenwand (29) des äußeren Ringaufbaus (30, 38) durch die Anordnung eines anpassbaren thermisch leitenden Mediums zwischen der Montagefläche und der Ringwand unterstützt ist.