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Die Erfindung beschreibt einen thermoelektrischen Energiewandler, zur Umwandlung von thermischer in elektrische Energie, mit einem innerhalb eines Gehäuses angeordneten thermoelektrischen Generator (TEG), mit einer Wärmesenke und mit einer Wärmequelle, die jeweils mit dem TEG thermisch verbunden sind. Innerhalb des Gehäuses ist ein Strömungspfad angeordnet der zumindest teilweise an der Wärmesenke oder an der Wärmequelle vorbeiführt.
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Ein solcher thermoelektrischer Energiewandler dient beispielsweise in einem Heizkörperthermostat oder einem Ventil an einem Leitungssystem als Energiequelle für einen elektrischen Stellantrieb. Dabei bildet beispielsweise die Flüssigkeit im Leitungssystem als Wärmequelle. Die Wärme wird beispielsweise über eine Flanschverbindung an den thermoelektrischen Generator (TEG) übertragen. Als Wärmesenke ist der thermoelektrische Generator mit einem Kühlkörper verbunden, der die Wärme ableitet.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen thermoelektrischen Energiewandler der vorgenannten Art zu schaffen, der eine höhere Effizienz und Ausbeute hat.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen thermoelektrischen Energiewandler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Der Kontaktvorsprung an der Wärmesenke, beispielsweise ein Kühlkörper aus Metall oder Keramik, sorgt für eine Konzentration des Wärmeflusses von der Wärmequelle zur Wärmesenke durch den TEG hindurch. Durch die Isolierung wird zudem verhindert, dass Wärme etwa mittels Strahlung direkt von der Wärmequelle auf die Wärmesenke übertragen wird und somit ungenutzt verloren ist. Der Wärmefluss erfolgt daher hauptsächlich durch den TEG.
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Vorzugsweise ist der TEG in einem Gehäuse mit Lüftungsöffnungen so angeordnet, dass innerhalb des Gehäuses ein Pfad von unten nach oben offen ist, in dem Luft warme Luft aufsteigen und kalte Luft absinken kann. Dieser Kamineffekt bewirkt einen kontinuierlichen Luftstrom durch das Gehäuse, der insbesondere an einem Kühlkörper vorbei strömt. Dadurch wird die Wärme am Kühlkörper kontinuierlich nach oben aus dem Gehäuse abgeführt.
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Dazu werden andere im Gehäuse angeordnete Bauteile so platziert, dass von den Lüftungsöffnungen für den Lufteinlass bis zu den Lüftungsöffnungen für den Luftauslass ein Strömungspfad frei ist, so dass beispielsweise eine Konvektionsströmung vom Lufteintritt am Gehäuseboden bis zum Luftaustritt am Gehäusedeckel aufsteigen kann. Besonders vorteilhaft für die Erfindung ist es, eine durch einen Kamineffekt hervorgerufene oder unterstütze Wärmeströmung an der Wärmesenke vorbeizuführen. Es ist dabei vorteilhaft, wenn dieser Luftstrom eine möglichst große Fläche der Wärmesenke, zum Beispiel einen Kühlkörper mit Kühlrippen, umströmt. Die Fläche für den Wärmeaustausch kann unter anderem durch Strömungsöffnungen zwischen den Kühlrippen maximiert werden, wobei einerseits eine große Fläche für den Wärmeaustausch bereitgestellt werden kann und andererseits der Luftstrom in Richtung der Gehäuseöffnung für den Luftauslass geführt werden kann. Durch diese Ausgestaltung des TEG wird also der Temperaturgradient entlang des TEG vergrößert, so dass dieses effizienter arbeiten kann.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung und Anordnung des TEG ist dabei weder auf freie Konvektion und/oder Strömungen basierenden auf dem Kamineffekt noch auf Luft als Kühlmedium begrenzt. Vielmehr kann zur Abfuhr der Wärme auch ein anderes Gas oder eine Flüssigkeit benutzt werden. Ebenso kann die Strömung auf andere Art und Weise gerichtet sein, zum Beispiel durch erzwungene Konvektion, etwa mit Hilfe eines oder mehrerer Ventilatoren oder Pumpen.
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Die erfindungsgemäße Geometrie führt dazu, dass der Temperaturgradient im TEG einen Maximalwert erreicht. Dadurch ist die Temperaturdifferenz am TEG ebenfalls maximal. Bekannte TEG basieren auf dem Seebeck-, dem Peltier- und dem Thomson-Effekt, wobei für den TEG zur Gewinnung elektrischer Energie aus einem Temperaturgradienten der Seebeck-Effekt entscheidend und dominant ist. Beim Seebeck-Effekt wird elektrische Energie aus thermischer Energie, insbesondere aus einem Temperaturunterschied am TEG, „gewonnen“. Dabei ist näherungsweise die Temperaturdifferenz entscheidend und nicht die absolute Temperatur. Im erfindungsgemäßen thermoelektrischen Energiewandler ist daher die Ausbeute und damit die gewandelte Energiemenge maximal.
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Der Kontaktvorsprung an der Wärmesenke ist beispielsweise als Pyramidenstumpf ausgebildet, kann jedoch auch gekrümmt oder andersartig geformt sein. Dabei ist der Kontaktvorsprung vorzugsweise zur Kontaktfläche hin zulaufend ausgebildet.
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Die Kontaktfläche des Kontaktvorsprungs ist im Wesentlichen gleich groß oder größer als die Kontaktfläche des TEG. Vorzugsweise ist der TEG mittig zentriert auf der Kontaktfläche des Kontaktvorsprungs angeordnet, damit ein gleichmäßiger Wärmeübertrag erfolgt.
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Es ist insbesondere zweckmäßig, dass zwischen dem thermoelektrischen Generator und der Wärmesenke beziehungsweise der Wärmequelle ein Wärmeleitmedium angeordnet ist, durch das der Wärmeübergangswiderstand reduziert wird. Dadurch wird sichergestellt, dass im Wärmepfad zwischen Wärmequelle und Wärmesenke der TEG den größten Wärmewiderstand hat und dadurch der Temperaturgradient im TEG maximal ist.
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Das Wärmeleitmedium kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste mit metallischen Füllstoffen sein. Insbesondere ist das Wärmeleitmedium aus Indium hergestellt, das in metallischer Form eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und dazu sehr weich ist. Es können jedoch auch Wärmeleitmittel verwendet werden, die aus anderen Materialien hergestellt sind, zum Beispiel aus Graphit.
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Der erfindungsgemäße TEG kann auch mit vertauschter Warm- und Kaltseite ausgestaltet sein, so dass der Temperaturgradient entlang des TEG umgekehrt wird und der Luft- oder Fluidstrom dazu dient die Kühlrippen auf hoher Temperatur zu halten.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
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1: einen Längsschnitt durch einen Heizkörperthermostat mit einem erfindungsgemäßen thermoelektrischem Energiewandler,
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2: einen Längsschnitt durch einen alternativ ausgestalteten Heizkörperthermostat mit einem alternativen, erfindungsgemäßen thermoelektrischem Energiewandler,
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3: einen Querschnitt durch den Heizkörperthermostaten,
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4: eine Detailansicht des thermischen Energiewandlers,
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5: eine alternative Ausgestaltung des thermischen Energiewandlers,
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6: eine Detailansicht des Energiewandlers der 5 und
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7–9: weitere Ausgestaltungen des thermischen Energiewandlers.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer thermischer Energiewandler gezeigt, der im Beispiel als elektrische Energiequelle eines Heizkörperthermostats 2 dient.
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Selbstverständlich kann der thermische Energiewandler 1 auch in anderen elektrischen Geräten eingesetzt werden, beispielsweise in einem Ventilsteller oder einem Durchflussmessgerät an einer Flüssigkeitsleitung.
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Der Heizkörperthermostat 2 weist einen metallenen Flansch 3 auf, der an einem Heizkörperventil (nicht gezeigt) befestigbar ist. Das Heizkörperventil dient in diesem Fall als Wärmequelle, da es permanent mit dem heißen Wasser des Heizkreislaufes in Kontakt ist und damit ständig Wärme zufließt, solange die Heizungsanlage in Betrieb ist. Der Flansch 3 ist thermisch mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) 4 verbunden. Der TEG basiert beispielsweise auf dem Seebeck-Effekt, auf dem Peltier-Effekt und auf dem Thomson-Effekt. Es ist die Aufgabe des TEGs thermische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, dabei ist für den TEG der Seebeck-Effekt entscheidend und dominant. Beim Seebeck-Effekt wird elektrische Energie aus thermischer Energie, insbesondere aus einem Temperaturunterschied am TEG, „gewonnen“. Der TEG ist dabei vorzugsweise etwa quaderförmig ausgebildet, wobei die thermisch aktiven Flächen an gegenüberliegenden Seiten des Quaders liegen. Die elektrische Spannung, die am TEG „gewonnen“ wird, ist dabei im Wesentlichen proportional zum Temperaturunterschied zwischen diesen Flächen, so dass die absolute Temperatur der Wärmequelle praktisch keine Rolle spielt. Um einen möglichst großen Temperaturunterschied zu erzeugen, weist der thermoelektrische Energiewandler 1 einen Kühlkörper 5 als Wärmesenke auf, der thermisch mit einer aktiven Fläche des TEGs 4 verbunden ist. Als Wärmequelle für das TEG dient dabei der Flansch 3.
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Die elektrische Energie wird beispielsweise in einem Energiespeicher 45, beispielsweise ein Kondensator oder ein Akku, zwischengespeichert. Mit der gewonnenen Energie wird das Heizkörperthermostat 2 betrieben. Dieses weist unter anderem einen Umgebungstemperatursensor und einen elektrischen Stellantrieb mit einem Elektromotor 26, der über ein Getriebe 27 eine Welle 28 antreibt die wiederum über ein Wälzlager 30 auf den Ventilstößel des Heizkörperventils wirkt und somit den Durchfluss durch das Ventil in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur auf eine Solltemperatur regeln kann. Der Vorteil dabei ist, dass der Heizkörperthermostat 2 keine separate Primärenergieversorgung benötigt, da der Energiebedarf vollständig aus der Wärme gedeckt werden kann.
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Damit der thermoelektrische Energiewandler 1 eine möglichst gute Ausbeute aufweist, muss die Temperaturdifferenz am thermoelektrischen Generator (TEG) 4 möglichst groß sein. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle 3 und Wärmesenke 5 möglichst groß ist und damit der Temperaturgradient genau an der Stelle des TEG 4 ein Maximum aufweist. Anders ausgedrückt, ist die Wärmeleitfähigkeit im gesamten Wärmepfad von der Wärmequelle 3 zur Wärmesenke 5 an jeder Stelle größer als die Wärmeleitfähigkeit des TEG 4.
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Dies wird dadurch erreicht, dass der Kühlkörper 5 einen Kontaktvorsprung 6 aufweist, der in einer Kontaktfläche 7 endet, die im Wesentlichen so groß wie die aktive Fläche des TEGs 4 ist. Im Beispiel ist die Kontaktfläche 7 des Kontaktvorsprungs 6 etwas größer ausgebildet, wobei der TEG 4 mittig zentriert auf der Kontaktfläche 7 angeordnet ist. Der Kontaktvorsprung 6 ist im Beispiel als Pyramidenstumpf ausgebildet. Der Vorsprung 6 kann jedoch auch anders geformt sein, insbesondere können die Flanken des Vorsprungs 6 gekrümmt sein und nahtlos in den Kühlkörper 5 übergehen.
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In diesem Beispiel steht die Stirnfläche des Flanschs 3 mit der anderen aktiven Fläche des TEG 4 in Kontakt. Zwischen dem Kühlkörper 5 und dem Flansch 3 befindet sich um den TEG 4 herum eine Wand 8 des Gehäuses 9 des Heizkörperthermostats 2. Diese Gehäusewand 8 dient gleichzeitig als Wärmeisolierung, so dass kaum Wärme vom Flansch 3 direkt auf den Kühlkörper 5 übergehen kann, etwa durch Strahlung. Der Wärmefluss wird dadurch durch den TEG 4 gezwungen, so dass der Wärmestrom durch den TEG 4 möglichst groß ist.
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Der Kühlkörper 5 hat mehrere Kühlrippen 10, um eine bessere Kühlleistung zu erzielen. Zusätzlich weist der Kühlkörper 5 zwischen den Kühlrippen 10 Strömungsöffnungen 11 auf, die etwa bis zur Hälfte des Kühlkörpers 5 reichen. Diese Strömungsöffnungen 11 bewirken, dass Luft im Beispiel von unten durch den Kühlkörper 5 hindurch strömen kann und nicht nur daran vorbei. Im Beispiel sind innerhalb des Gehäuses 9 alle Bauteile des Heizkörperthermostats 2 so angeordnet, dass ein freier Strömungspfad 21 vorhanden ist. Im Beispiel ist dies im Wesentlich dadurch erreicht, dass zwischen Gehäuserückwand und den anderen Bauteilen im Gehäuse ein Spalt als Strömungspfad 21 freigehalten wird. In diesem Strömungspfad 21 kann kühle Luft durch Gehäuseöffnungen 22 von unten durch die Strömungsöffnungen 11 zwischen den Kühlrippen 10 des Kühlkörpers 5 nach oben hindurchströmen und oben durch Gehäuseöffnungen 22 aus dem Gehäuse 9 austreten. Die Gehäuseöffnungen 22 können als Schlitze ausgebildet sein, oder auf andere Art und Weise einen Schutz gegen eindringenden Schmutz und/oder Feuchtigkeit aufweisen. Der zuvor genannte Kamineffekt entsteht automatisch, da die nach oben steigende warme Luft eine Sogwirkung entlang dem Strömungspfad 21 nach unten auf die kalte Luft ausübt. Dieses Prinzip des Kamineffekts ist auch bei jedem anderen elektrischen Gerät mit einem Gehäuse anwendbar und ist daher nicht auf das beschriebene Beispiel in einem Heizkörperthermostat beschränkt.
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Die permanente Kühlung des Kühlkörpers durch diesen Kamineffekt bewirkt eine zusätzliche Vergrößerung der Temperaturdifferenz zwischen Flansch 3 und Kühlkörper 5. Dadurch wird die Ausbeute am TEG 4 größer. Die gewonnene Energiemenge kann benutzt werden um beispielsweise einen Aktuator oder um eine andere elektrische Maschine anzutrieben. Dabei kann die Energie in einem Energiespeicher 45, wie zum Beispiel eine Batterie oder ein Kondensator, zwischengespeichert werden.
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In 2 bis 4 ist eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen thermischen Energiewandlers 1 gezeigt, der in diesem Beispiel ebenfalls als elektrische Energiequelle eines Heizkörperthermostats 102 dient, wobei auch hier ein Energiespeicher 145 als Puffer vorhanden sein kann. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Ausgestaltung führt hier der Strömungspfad 121 nicht an einer Gehäusewand 108 entlang. Vielmehr steigt die Luft zwischen Gehäuseöffnungen 122 durch Öffnungen und/oder Aussparungen an den Bauteilen im Inneren eines Gehäuses 109 auf, beispielsweise durch eine Öffnung an einer Schaltplatine 144 und/oder die Luft steigt durch Freiräume zwischen den Bauteilen auf, beispielsweise durch Freiräume in der Getriebeanordnung.
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Wie oben bereits erwähnt, muss der Wärmewiderstand im gesamten Pfad von einer als Flansch ausgebildeten Wärmequelle 103 zu einer als Kühlkörper ausgebildeten Wärmesenke 105 kleiner sein als im TEG 4. Aus diesem Grund ist zwischen der ersten aktiven Fläche 19 des TEGs 4 und dem Kühlkörper 105 sowie zwischen der zweiten aktiven Fläche 20 des TEGs 4 und dem Flansch 103 jeweils ein Wärmeleitmittel 12 angeordnet, dass den Wärmeübergangwiderstand verringert. Dieses Wärmeleitmittel ist im Beispiel jeweils ein dünnes Blättchen 12 aus Indium oder Graphit. Indium hat einen sehr geringen Wärmewiderstand und ist sehr weich, so dass durch Anpressen ein nahezu luftfreier Kontakt herstellbar ist. Dazu ist im Beispiel der Kühlkörper 105 zusätzlich durch eine Feder 13 beaufschlagt, die den Kühlkörper 105 gegen den TEG 4 drückt.
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Die 5 und 6 zeigen eine alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Energiewandlers, bei der der Kühlkörper 5 über Befestigungsstifte 14 mit dem Gehäuse 9 des elektrischen Geräts verbunden ist, das auch hier als thermische Isolierung zwischen Wärmequelle 3 und Wärmesenke 5 dient. Ansonsten entspricht diese Ausführung im Wesentlichen der Ausführung der 2 bis 4.
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In den 7 bis 9 ist jeweils eine alternative Ausführung eines erfindungsgemäßen Energiewandlers gezeigt, die im Wesentlichen jeweils der Ausführung der 3 entsprechen.
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In der Ausführung der 7 weist auch die Wärmequelle 3 einen Kontaktvorsprung 15 auf, der im Beispiel ebenfalls als Pyramidenstumpf ausgebildet ist. Die Isolierung 16 umschließt den TEG 4 vollständig und liegt an der Wärmequelle 3 an.
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In 8 ist die Wärmequelle 3 gerade ausgebildet, dafür kann der Kontaktvorsprung 6 des Kühlkörpers 5 wesentlich länger ausgebildet sein. Die Isolierung 16 ist entsprechend der Schräge des Kontaktvorsprungs 6 abgeschrägt und ist um den TEG 4 ausgespart.
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Die Ausführung der 9 kann ebenfalls einen längeren Kontaktvorsprung 6 aufweisen, wobei hier die Isolierung 16 zweilagig ausgebildet ist. Dabei ist nur die erste Lage 17 abgeschrägt, während die zweite Lage 18 für den TEG 4 gerade ausgespart ist. Zusätzlich weist hier auch die Wärmequelle 3 einen Kontaktvorsprung 15 auf.
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Neben den hier gezeigten Ausführungen sind noch viele weitere Ausführungen im Sinne der Erfindung möglich.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermoelektrischer Energiewandler
- 2, 102
- Heizkörperthermostat
- 3, 103
- Flansch
- 4
- thermoelektrischer Generator
- 5, 105
- Kühlkörper
- 6
- Kontaktvorsprung
- 7
- Kontaktfläche
- 8, 108
- Gehäusewand
- 9, 109
- Gehäuse
- 10
- Kühlrippen
- 11
- Strömungsöffnungen
- 12
- Wärmeleitmedium
- 13
- Feder
- 14
- Befestigungsstifte
- 15
- Kontaktvorsprung Wärmequelle
- 16
- Isolierung
- 17
- erste Lage
- 18
- zweite Lage
- 19
- erste aktive Fläche
- 20
- zweite aktive Fläche
- 21, 121
- Strömungspfad
- 22, 122
- Gehäuseöffnungen
- 23
- Aussparung Isolierung
- 26
- Elektromotor
- 27
- Getriebe
- 28
- Welle
- 30
- Wälzlager
- 31
- Übertragungsstift
- 44, 144
- Leiterplatte
- 45, 145
- Energiespeicher
