DE102012209619A1 - Thermoelectric element for converting energy between thermal energy and electrical energy and a method for disassembling the thermoelectric element - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung schafft ein thermoelektrisches Element zur Umwandlung von Energie zwischen thermischer Energie und elektrischer Energie mit: einem ersten thermoelektrischen Schenkel (10), einem zweiten thermoelektrischen Schenkel (20), wobei der erste thermoelektrische Schenkel (10) einen ersten magnetischen Bereich (10a) aufweist und der zweite thermoelektrische Schenkel (20) einen zweiten magnetischen Bereich (20a) aufweist, und einer ersten magnetischen Leiterbahneinrichtung (30), welche mit dem ersten und dem zweiten magnetischen Bereich (10a; 20a) magnetisch-kraftschlüssig verbunden ist. Des Weiteren schafft die Erfindung ein Verfahren zum Auseinanderbauen des thermoelektrischen Elements.The invention provides a thermoelectric element for converting energy between thermal energy and electrical energy, comprising: a first thermoelectric leg (10), a second thermoelectric leg (20), the first thermoelectric leg (10) having a first magnetic region (10a) and the second thermoelectric leg (20) has a second magnetic region (20a) and a first magnetic track device (30) which is magnetically frictionally connected to the first and second magnetic regions (10a; 20a). Furthermore, the invention provides a method for disassembling the thermoelectric element.
Description
Die Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Element (auch Thermopaar genannt) zur Umwandlung von Energie zwischen thermischer Energie und elektrischer Energie und ein Verfahren zum Auseinanderbauen des thermoelektrischen Elements.The invention relates to a thermoelectric element (also called thermocouple) for the conversion of energy between thermal energy and electrical energy and a method for disassembly of the thermoelectric element.
Stand der TechnikState of the art
Derartige thermoelektrische Elemente bzw. daraus zusammengesetzte thermoelektrische Module sind aus einzelnen thermoelektrischen Schenkeln
Es gibt im Wesentlichen zwei Arten des Modulbaus. Der Unterschied zwischen diesen beiden Modulbauarten liegt in der thermischen und elektrischen Anbindung der einzelnen Bauteile. Diese kann kraftschlüssig F, wie in
Stand der Technik ist ferner die stoffschlüssige Verbindung zwischen den thermoelektrischen Schenkeln
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die vorliegende Erfindung schafft ein thermoelektrisches Element zur Umwandlung von Energie zwischen thermischer Energie und elektrischer Energie, das folgende Komponenten aufweist: einen ersten thermoelektrischen Schenkel, einen zweiten thermoelektrischen Schenkel, wobei der erste thermoelektrische Schenkel einen ersten magnetischen Bereich aufweist und der zweite thermoelektrische Schenkel einen zweiten magnetischen Bereich aufweist, und eine erste magnetische Leiterbahneinrichtung, welche mit dem ersten und dem zweiten magnetischen Bereich magnetisch-kraftschlüssig verbunden ist. Magnetisch-kraftschlüssig bedeutet, dass der Kraftschluss durch die magnetische Anziehungskraft bewirkt wird.The present invention provides a thermoelectric element for converting energy between thermal energy and electrical energy, comprising: a first thermoelectric leg, a second thermoelectric leg, wherein the first thermoelectric leg has a first magnetic region and the second thermoelectric leg has a second Magnetic region, and a first magnetic conductor device, which is connected to the first and the second magnetic region magnetic force-locking. Magnetic-positive means that the adhesion is caused by the magnetic attraction.
Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zum Auseinanderbauen eines thermoelektrischen Elements.The present invention also provides a method of disassembling a thermoelectric element.
Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Preferred developments are the subject of the respective subclaims.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung können weich- und hartmagnetische Materialien zum Aufbau eines thermoelektrischen Moduls Verwendung finden. Dadurch kann ein kraftschlüssig aufgebautes Modul vorteilhaft realisiert werden, das auch ohne äußere Kraft seinen kraftschlüssigen Aufbau behält bzw. nur sehr geringe äußere Kräfte benötigt um zuverlässig zu funktionieren. Dadurch kann im Gegensatz zur rein kraftschlüssigen Modulbauart das Gehäuse, das die Anpresskraft für die Module aufnimmt, sehr viel weniger massiv ausgeführt sein oder sogar genauso ausgeführt sein wie bei der stoffschlüssigen Modulbauart.In the device according to the invention, soft and hard magnetic materials can be used to construct a thermoelectric module. As a result, a frictionally constructed module can be advantageously realized, which retains its frictional structure even without external force or requires only very small external forces to function reliably. As a result, in contrast to the purely non-positive modular design, the housing, which receives the contact force for the modules, be much less solid or even designed as in the cohesive modular design.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei der erste thermoelektrische Schenkel einen dritten magnetischen Bereich aufweist und der zweite thermoelektrische Schenkel einen vierten magnetischen Bereich aufweist; und wobei eine zweite magnetische Leiterbahneinrichtung vorgesehen ist, welche mit dem dritten magnetischen Bereich magnetisch-kraftschlüssig verbunden ist und wobei eine dritte magnetische Leiterbahneinrichtung vorgesehen ist, welche mit dem vierten magnetischen Bereich magnetisch-kraftschlüssig verbunden ist, besteht ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Modulaufbaus unter Nutzung von Magnetkräften darin, dass für den Modulaufbau und die Verbindungstechnik keine Prozessschritte notwendig sind, in denen das Material höheren Temperaturen als den späteren Betriebstemperaturen ausgesetzt ist. Dadurch wird eine höhere Lebensdauer der thermoelektrischen Schenkel und insbesondere der Beschichtung auf den Schenkeln sichergestellt. According to a preferred development, wherein the first thermoelectric leg has a third magnetic region and the second thermoelectric leg has a fourth magnetic region; and wherein a second magnetic track device is provided, which is magnetically-positively connected to the third magnetic region and wherein a third magnetic track device is provided, which is magnetically-positively connected to the fourth magnetic region, there is a further advantage of the module structure according to the invention under use of magnetic forces in that for the module structure and the connection technology no process steps are necessary, in which the material is exposed to higher temperatures than the later operating temperatures. This ensures a longer service life of the thermoelectric legs and in particular the coating on the legs.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, zwischen dem ersten magnetischen Bereich und der ersten magnetischen Leiterbahneinrichtung sowie dem zweiten magnetischen Bereich und der ersten magnetischen Leiterbahneinrichtung zusätzlich zumindest teilweise eine erste elektrische Leitschicht vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil einer besseren elektrischen Ankopplung der thermoelektrischen Schenkel an die magnetischen Leiterbahneinrichtungen.According to a preferred development, between the first magnetic region and the first magnetic conductor device and the second magnetic region and the first magnetic conductor device additionally at least partially a first electrical conductive layer is provided, there is the advantage of a better electrical coupling of the thermoelectric legs to the magnetic conductor tracks ,
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei zwischen dem dritten magnetischen Bereich und der zweiten magnetischen Leiterbahneinrichtung zusätzlich zumindest teilweise eine zweite elektrische Leitschicht vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil einer noch besseren elektrischen Ankopplung der thermoelektrischen Schenkel an die magnetischen Leiterbahneinrichtungen.According to a preferred refinement, wherein at least partially a second electrical conduction layer is additionally provided between the third magnetic region and the second magnetic conduction device, there is the advantage of an even better electrical coupling of the thermoelectric legs to the magnetic conductor path devices.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei zwischen vierten magnetischen Bereich und der dritten magnetischen Leiterbahneinrichtung zusätzlich zumindest teilweise eine dritte elektrische Leitschicht vorgesehen ist, ergibt sich der Vorteil einer noch besseren elektrischen Ankopplung der thermoelektrischen Schenkel an die magnetischen Leiterbahneinrichtungen.According to a preferred development, wherein at least partially a third electrical conduction layer is provided between the fourth magnetic region and the third magnetic conduction device, there is the advantage of an even better electrical coupling of the thermoelectric legs to the magnetic trace devices.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wobei die erste magnetische Leiterbahneinrichtung eine erste Vertiefung zur Aufnahme des ersten magnetischen Bereichs und eine zweite Vertiefung zur Aufnahme des zweiten magnetischen Bereichs aufweist, ergibt sich der Vorteil der weitgehenden Robustheit des Aufbaus gegen alle Arten von Erschütterungen, die Scherkräfte auf die einzelnen Bauteile ausüben können. According to a preferred development, wherein the first magnetic track device has a first recess for receiving the first magnetic area and a second recess for receiving the second magnetic area, the advantage of the far-reaching robustness of the structure against all types of shocks, the shear forces on the individual Can exercise components.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei die zweite magnetische Leiterbahneinrichtung eine dritte Vertiefung zur Aufnahme des dritten magnetischen Bereichs aufweist und/oder wobei die dritte magnetische Leiterbahneinrichtung eine vierte Vertiefung zur Aufnahme des vierten magnetischen Bereichs aufweist, ergibt sich ebenfalls der Vorteil der weitgehenden Robustheit des Aufbaus gegen alle Arten von Erschütterungen, die Scherkräfte auf die einzelnen Bauteile ausüben können. According to a preferred development, wherein the second magnetic strip conductor device has a third recess for receiving the third magnetic area and / or wherein the third magnetic strip line device has a fourth recess for receiving the fourth magnetic area, the advantage of the far-reaching robustness of the construction also results all kinds of vibrations that can exert shear forces on the individual components.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei die erste magnetische Leiterbahneinrichtung magnetisch-kraftschlüssig mit einer ersten magnetischen Wärmeverteilereinrichtung über eine dazwischen liegende erste elektrische Isolationsschicht verbunden ist, ergibt sich ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen kraftschlüssigen Aufbaus durch die weitgehende mechanische Entkopplung der Bauteile des Moduls. Dies bedeutet, dass die kraftschlüssige Anbindung der thermoelektrischen Schenkel, der Leiterbahneinrichtungen und der Wärmeverteilereinrichtungen vollständig oder überwiegend durch Magnetkräfte erfolgt.According to a preferred development, wherein the first magnetic strip conductor device is connected in a magnetically non-positively connected manner to a first magnetic heat distribution device via a first electrical insulation layer lying therebetween, a further advantage of the non-positive construction according to the invention results from the extensive mechanical decoupling of the components of the module. This means that the frictional connection of the thermoelectric legs, the conductor track devices and the heat distribution devices takes place completely or predominantly by magnetic forces.
Dadurch werden die Vorteile des stoffschlüssigen Aufbaus (gute thermische und elektrische Kontakte, leichtes Gehäuse, einfachere Montage) und des kraftschlüssigen Aufbaus (keine kritische Übertragung von mechanischen Belastungen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungs-koeffizienten der Bauelemente, sehr einfache Demontage für die Wiederaufbereitung/ Recycling) in dem erfindungsgemäßen Aufbauprinzip vereint.Thereby, the advantages of cohesive construction (good thermal and electrical contacts, lightweight housing, easier installation) and the frictional structure (no critical transmission of mechanical loads by different thermal expansion coefficients of the components, very easy dismantling for recycling / recycling) in the Uniting principle according to the invention.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, wobei die zweite und die dritte magnetische Leiterbahneinrichtung magnetisch-kraftschlüssig mit einer zweiten magnetischen Wärmeverteilereinrichtung über eine dazwischen liegende zweite elektrische Isolationsschicht verbunden sind, ergibt sich ebenfalls der zuletzt genannte Vorteil. According to a preferred development, wherein the second and the third magnetic strip conductor device are connected in a magnetically non-positively connected manner to a second magnetic heat distribution device via a second electrical insulation layer lying therebetween, the latter advantage likewise results.
Durch die Erfindung wird die Fertigung von thermoelektrischen Modulen nach dem Prinzip des Kraftschlusses stark vereinfacht, da hier durch den Magnetismus bereits Haltekräfte zwischen den einzelnen Bauelementen während des Aufbaus bestehen und nicht erst dann, wenn der vollständige Aufbau für den Kraftschluss mechanisch zusammengepresst wird. Bei Verwendung von magnetischen bzw. magnetisierbaren Materialien für den Wärmetauscher ist auch eine Anbindung der Module an den Wärmetauscher über die Magnetkräfte realisierbar.By the invention, the production of thermoelectric modules on the principle of frictional connection is greatly simplified, since there are already holding forces between the individual components during construction by the magnetism and not only when the complete structure for the frictional connection is mechanically compressed. When using magnetic or magnetizable materials for the heat exchanger and a connection of the modules to the heat exchanger via the magnetic forces can be realized.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Elements liegt in der Möglichkeit, ein defektes Modul reparieren zu können. Da die Bestandteile des Moduls nur durch magnetische Kräfte fixiert sind, kann ein defektes Modul mit geringem Aufwand zurückgebaut werden und die defekten Bauteile ausgetauscht werden. Dieser einfache Rückbau des Moduls erlaubt auch die Module mit sehr geringem Aufwand in ihre einzelnen Bestandteile zu zerlegen und somit sortenrein einer Wiederverwertung zu zuführen. Darüber hinaus können die Bauteile des Moduls auch direkt für den Aufbau neuer Module verwendet werden.Another advantage of the method and the element according to the invention is the ability to repair a defective module can. Since the components of the module are fixed only by magnetic forces, a defective module can be dismantled with little effort and the defective components are replaced. This simple dismantling of the module also allows the modules with very little effort to disassemble into their individual components and thus sort of a recycling to perform. In addition, the components of the module can also be used directly for the construction of new modules.
Weitere Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.Further features and advantages of embodiments of the invention will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Es zeigen:Show it:
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente.In the figures, like reference numerals designate the same or functionally identical elements.
In
Kern der Ausführungsform ist die Verwendung von weich- und hartmagnetischen Materialien zum Aufbau eines thermoelektrischen Elements durch Kraftschluss. Dazu werden die beiden thermoelektrischen Schenkel
Derartige thermoelektrische Elemente und daraus zusammengesetzte thermoelektrische Module sind bei Verwendung im Abgasstrang eines PKW sehr hohen Temperaturen ausgesetzt. Daher ist bei der Auswahl der weich- bzw. hartmagnetischen Werkstoffe die Höhe der Curietemperatur von Bedeutung. Folgende Werkstoffe besitzen eine hohe Curietemperatur und sind daher besonders als magnetische Materialien für die heiße Seite des erfindungsgemäßen Aufbaus geeignet. Beispiele für besonders geeignete hartmagnetische und halbharte magnetische Materialien sind in folgender Tabelle 1 zusammengestellt. Zum Vergleich: Spezifischer elektrischer Widerstand von Kupfer: 0,0178 Ωmm2/m, Wärmeleitfähigkeit von Auspuffedelstahl 1.4313 (= X3CrNiMo13-4 = C max.: 0,05; Cr: 12,00–14,00; Ni: 3,50–4,50; Mo: 0,30–0,70; N: min. 0,02 (in Masse%)): 25 W/mK
Folgende Tabelle 2 zeigt eine Zusammenstellung geeigneter weichmagnetischer Elemente.
Für den Aufbau eines derartigen thermoelektrischen Elements über Magnetkräfte sind die Kontaktflächen, d.h. die magnetischen Bereiche
Die Anbindung der Kontaktfläche, d.h. der magnetischen Bereiche
Um genügend hohe magnetische Kräfte zu erzielen, sollte die Kontaktschicht der magnetischen Bereiche
Darüber hinaus ist es sehr vorteilhaft, wenn sowohl für die Kontaktflächen in den Leiterbahneinrichtungen
In einem realen thermoelektrischen Element bzw. Modul sind bestimmte Anforderungen, insbesondere an die Planparallelität, nur mit hohem Aufwand zu erfüllen. Daher sind alternative Maßnahmen zur Verbesserung der thermischen bzw. elektrischen Anbindung zwischen den entsprechenden Bauelementen notwendig. Besonders bevorzugt sind der Einsatz sehr dünner Grafitfolien oder von flüssigem Metall bzw. Metall mit niedrigem Schmelzpunkt um den Kapillarspalt in der Kontaktfläche zu füllen. Dadurch werden die herstellungsbedingten Mängel in der Oberflächenbeschaffenheit der Kontaktstellen zwischen den Bauelementen optimal ausgeglichen und der thermische bzw. elektrische Widerstand reduziert.In a real thermoelectric element or module certain requirements, in particular to the parallelism, to meet only with great effort. Therefore, alternative measures to improve the thermal or electrical connection between the corresponding components are necessary. Particularly preferred are the use of very thin graphite foils or of liquid metal or metal with a low melting point to fill the capillary gap in the contact surface. As a result, the production-related defects in the surface condition of the contact points between the components are optimally balanced and the thermal or electrical resistance is reduced.
Die magnetischen Legierungen, die für die Leiterbahneinrichtungen
Als Metall für die Beschichtung der Leiterbahneinrichtungen
Aufgrund der sehr guten Korrosionsbeständigkeit bestimmter magnetischer Legierungen wie zum Beispiel AINiCo kann der verstärkende Magnet der Wärmeverteilereinrichtung
In folgender Tabelle 4 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Aufbau eines thermolektrischen Elements für den Modulbau dargestellt. Die Bezeichnungen für die einzelnen Bauelemente sind aus
Die Reparatur von Schenkeln, Elementen bzw. Modulen und der Rückbau von Schenkeln, Elementen Schenkeln, bzw. Modulen für die Wiederverwertung sind durch das Aufbauprinzip über magnetische Haftkräfte sehr einfach. Insbesondere für die Wiederverwertung können durch Einsatz von sehr starken äußeren Magnetfeldern und/oder durch das Erhitzen über die Curie Temperatur des Materials mindestens eines magnetischen Bauelements die magnetischen Bauelemente des Elements bzw. Moduls entmagnetisiert werden und so die Elemente bzw. Module in sehr einfacher Art und Weise in ihre einzelnen Bauelemente zerlegt werden.The repair of thighs, elements or modules and the dismantling of thighs, elements thighs or modules for recycling are very simple by the principle of construction on magnetic adhesive forces. In particular, for recycling can be demagnetized by use of very strong external magnetic fields and / or by heating on the Curie temperature of the material of at least one magnetic component, the magnetic components of the element or module and so the elements or modules in a very simple way and Be broken down into their individual components.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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