DE102013100396A1

DE102013100396A1 - Thermoelektrische Vorrichtung

Info

Publication number: DE102013100396A1
Application number: DE201310100396
Authority: DE
Inventors: Mirko Klein Altstedde; Kerstin Oetringer; Martin Kober
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-01-15
Filing date: 2013-01-15
Publication date: 2014-07-17
Anticipated expiration: 2033-01-16
Also published as: DE102013100396B4

Abstract

Es wird eine thermoelektrische Vorrichtung vorgeschlagen, welche eine thermoelektrische Moduleinrichtung mit einer Kaltseite und einer Heißseite, und eine Latentwärmespeichereinrichtung, welche an der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung angeordnet ist, umfasst, wobei die Latentwärmespeichereinrichtung mindestens ein Gehäuse mit einem Aufnahmeraum für eine Phasenwechselmedium aufweist, wobei das mindestens eine Gehäuse eine erste Wandung und eine gegenüberliegende zweite Wandung hat, wobei die erste Wandung in Kontakt mit der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, und wobei zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung eine Stützstruktur mit mindestens einem Stützelement angeordnet ist, welches sich an der ersten Wandung und der zweiten Wandung abstützt.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung, umfassend eine thermoelektrische Moduleinrichtung mit einer Kaltseite und Heißseite, und eine Latentwärmespeichereinrichtung, welche an der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung angeordnet ist, wobei die Latentwärmespeichereinrichtung mindestens ein Gehäuse mit einem Aufnahmeraum für ein Phasenwechselmedium aufweist.
Aus der DE 10 2010 042 603 A1 ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bekannt, umfassend einen fluiddichtes erstes Gehäuse, mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse, welches in dem ersten Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse ein erster Mediumstrom geführt ist, ein fluiddichtes drittes Gehäuse, welches in dem mindestens einen zweiten Gehäuse angeordnet ist, wobei in dem dritten Gehäuse ein zweiter Mediumstrom geführt ist, und mindestens ein thermoelektrisches Modul, welches zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse angeordnet ist und mit einer ersten Seite in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse steht und mit einer zweiten Seite in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse steht.
Aus der DE 10 2006 040 853 B3 ist eine thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke bekannt, wobei der thermoelektrische Generator auf einer ersten Seite mit den Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke thermisch verbunden ist. Es ist eine erste Kammer vorgesehen, welche mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche bei vorteilhaften Wärmeleitungseigenschaften eine hohe Formhaltigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten thermoelektrischen Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine Gehäuse eine erste Wandung und eine gegenüberliegende zweite Wandung hat, wobei die erste Wandung in Kontakt mit der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, und dass zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung eine Stützstruktur mit mindestens einem Stützelement angeordnet ist, welches sich an die erste Wandung und der zweiten Wandung abstützt.
Das Gehäuse der Latentwärmespeichereinrichtung steht in thermischem Kontakt (und mechanischem Kontakt) mit der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung. Eine Außenseite der ersten Wandung bildet eine entsprechende Anlagefläche für eine korrespondierende Anlagefläche der thermoelektrischen Moduleinrichtung.
Erfindungsgemäß ist eine Stützstruktur vorgesehen, welche zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung angeordnet ist. Diese Stützstruktur sorgt für eine Formhaltigkeit der Latentwärmespeichereinrichtung. Das Gehäuse der Latentwärmespeichereinrichtung weist dadurch eine Anlagefläche für die thermoelektrische Moduleinrichtung (und einen Wärmeübertrager) auf, welche auch bei unterschiedlichen Temperaturen in Kombination mit äußeren Kräften (wie der Anpresskraft) und auch inneren Kräften nur minimal verformbar ist. Eine solche minimale Verformung stellt wiederrum einen hohen Wärmeübergang von der Latentwärmespeichereinrichtung zu der thermoelektrischen Moduleinrichtung (bzw. von einem Wärmeübertrager zu der Latentwärmespeichereinrichtung) sicher.
Grundsätzlich sorgt das Phasenwechselmedium in der Latentwärmespeichereinrichtung für einen Temperaturabfall. Wenn die Phasenwechseltemperatur am Phasenwechselmedium erreicht ist, kommt es zu einem Aufschmelzen des eingebrachten Phasenwechselmediums. Mit dem Aufschmelzen sinkt die mechanische Festigkeit des Phasenwechselmediums; dies reduziert die Steifigkeit einer Phasenwechselmediumschicht. Durch die Stützstruktur, welche unabhängig von dem Phasenwechselmedium ist, erhält man eine hohe Steifigkeit des Gehäuses als Ganzes.
Die Temperaturänderung im Phasenwechselmedium und insbesondere ein Phasenwechsel im Phasenwechselmedium führt zu einer Volumenänderung. Es kann dadurch in dem Phasenwechselmedium zur Spaltbildung oder Lunkerbildung kommen. Dies reduziert grundsätzlich zum einen die mechanische Steifigkeit der Phasenwechselmediumschicht. Spalt- und Lunkerbildung kann auch Wärmewiderstände hervorrufen, welche die Wärmeleitung behindern. Dies kann wiederum zu Leistungseinbußen führen.
Die Stützstruktur sorgt bei entsprechender Ausbildung für eine Minimierung des Temperaturabfalls über eine Phasenwechselmediumschicht. Dadurch kann das maximale Temperaturpotenzial an der Heißseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden.
Die Stützstruktur kann äußere und innere Kräfte, welche auf das Phasenwechselmedium wirken, aufnehmen und die Formhaltigkeit der Anlageflächen sicherstellen.
Durch die Stützstruktur mit mindestens einem Stützelement, welches zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung verläuft, kann ein Wärmeeintrag in das Phasenwechselmedium und eine Wärmeleitung durch das Gehäuse der Latentwärmespeichereinrichtung hindurch sichergestellt werden. Dadurch lässt sich eine hohe Beladungsdynamik und Entladungsdynamik erreichen.
Günstig ist es, wenn die erste Wandung und die zweite Wandung mindestens näherungsweise parallel zueinander sind. Dadurch lässt sich aufgrund der entsprechenden geometrischen Ausbildung des Gehäuses eine hohe Temperaturkonstanz in der Latentwärmespeichereinrichtung erreichen. Die thermoelektrische Vorrichtung lässt sich auf konstruktiv einfache Weise realisieren.
Es ist insbesondere günstig, wenn die erste Wandung und/oder die zweite Wandung mindestens näherungsweise eben ausgebildet sind. Insbesondere sind eine Anlagefläche (thermische Kontaktfläche) der ersten Wandung und/oder der zweiten Wandung eben ausgebildet. Insbesondere in Kombination mit der Stützstruktur lässt sich eine hohe Steifigkeit mit hoher Formhaltigkeit erreichen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Stützelement einstückig oder stoffschlüssig mit der ersten Wandung und/oder der zweiten Wandung verbunden. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Abstützung und Fixierung von einem oder mehreren Stützelementen in dem Gehäuse an der ersten Wandung und der zweiten Wandung erreichen.
Es ist günstig, wenn das mindestens eine Stützelement aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt ist, wobei insbesondere die Wärmeleitfähigkeit mindestens 10 W/mK ist. Durch das entsprechende Stützelement hindurch lässt sich dann Wärme durch das Gehäuse durchleiten und auch in das Phasenwechselmedium in dem Aufnahmeraum einleiten (bzw. ausleiten). Dadurch ergibt sich ein effektiver Wärmeübertrag bei hoher Formstabilität.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das mindestens eine Stützelement aus dem gleichen Material hergestellt wie die erste Wandung und/oder die zweite Wandung. Dadurch ergibt sich ein einfacher konstruktiver Aufbau bei effektiver Wärmeübertragung.
Günstig ist es, wenn eine Mehrzahl von Stützelementen vorgesehen sind, welche insbesondere gleichmäßig und/oder regelmäßig verteilt angeordnet sind. Dadurch lässt sich insbesondere angepasst an das Phasenwechselmedium ein effektiver Wärmeübertrag und auch Wärmeeintrag in das Phasenwechselmedium bzw. Wärmeaustrag aus dem Phasenwechselmedium erreichen. Dadurch lässt sich die thermoelektrische Moduleinrichtung auf effektive Weise insbesondere zur elektrischen Stromerzeugung betreiben.
Bei einem Ausführungsbeispiel bildet das mindestens eine Stützelement eine Wandung, welche den Aufnahmeraum in eine Mehrzahl von getrennten Kammern unterteilt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind eine Mehrzahl von abgeschlossenen Kammern vorgesehen, welche jeweils Phasenwechselmedium aufnehmen. Dadurch lässt sich beispielsweise die Spaltbildung bzw. Lunkerbildung definiert in den jeweiligen Kammern erreichen.
Es ist günstig, wenn das mindestens eine Stützelement sich über eine Breite des mindestens einen Gehäuses erstreckt. Dadurch ergibt sich auf einfache Weise durch die Ausbildung von entsprechenden Wänden bzw. Stegen eine Stützstruktur zur Bereitstellung der Formhaltigkeit mit effektiver Wärmeübertragung.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Aufnahmeraum eine Mehrzahl von Kammern auf, wobei insbesondere ein Querschnitt einer Kammer vorgeben ist durch den Abstand zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung und dem Abstand zwischen benachbarten Stützelementen. Beispielsweise ist der Querschnitt einer Kammer rechteckig bzw. quadratisch. Der Querschnitt einer Kammer kann beispielsweise auch sechseckförmig sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Stützstruktur eine Wabenstruktur. Dadurch ergibt sich auf effektive Weise eine optimierte Abstützung zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung. Die entsprechenden Waben nehmen Phasenwechselmedium auf.
Insbesondere liegt dabei eine Höhenerstreckung einer Wabe in einer Abstandsrichtung zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung.
Der Aufnahmeraum weist dann eine Mehrzahl von im Querschnitt sechseckigen Kammern auf. Die Kammern sind insbesondere abgeschlossen. Dadurch lässt sich eine definierte Spalt- bzw. Lunkerbildung in einer Kammer zumindest näherungsweise erreichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Stützstruktur eine Wellenstruktur. Über die Wellenstruktur erfolgt eine Abstützung an der ersten Wandung und der zweiten Wandung.
Insbesondere stützt sich ein Wellenberg an der ersten Wandung ab und ein Wellental stützt sich an der zweiten Wandung ab. Es ergibt sich dadurch eine hohe Formhaltigkeit bei effektiver Wärmeübertragung.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Stützstruktur getrennte und beabstandete Säulen oder Stifte. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise eine Abstützung zwischen der ersten Wandung und der zweiten Wandung erreichen. Die Säulen oder Stifte sind beispielsweise zylindrisch ausgebildet.
Insbesondere ist dann der Aufnahmeraum eine zusammenhängende Kammer, wobei Phasenwechselmedium um die Säulen bzw. Stifte angeordnet ist.
Bei einer Ausführungsform ist die thermoelektrische Vorrichtung mehrlagig aufgebaut. Insbesondere ist eine Latentwärmespeicherlage und eine thermoelektrische Modullage vorgesehen. Es können zusätzlich noch Wärmeübertragerlagen vorgesehen sein.
Insbesondere ist das mindestens eine Gehäuse der Latentwärmespeichereinrichtung mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung verspannt. Dadurch wird ein mechanischer Kontakt bereitgestellt, wobei über eine entsprechende Anpressung auch ein guter thermischer Kontakt bei entsprechender Ausbildung der Anlageflächen bereitgestellt ist.
Günstig ist, wenn ein Heißseitenwärmeübertrager vorgesehen ist, welcher in thermischem Kontakt mit der Latentwärmespeichereinrichtung steht. Über den Heißseitenwärmeübertrager lässt sich entsprechende Wärme beispielsweise eines Abgasmassenstroms übertragen. Der Heißseitenwärmeübertrager bildet die Wärmequelle für den Betrieb der thermoelektrischen Moduleinrichtung.
Es ist entsprechend günstig, wenn ein Kaltseitenwärmeübertrager vorgesehen ist, welcher in thermischem Kontakt mit der Kaltseite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht. Der Kaltseitenwärmeübertrager bildet die Wärmesenke. Zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke lässt sich ein Temperaturgradient ausbilden, welcher wiederrum zu einem Wärmestrom führt. Der Wärmestrom lässt sich in der thermoelektrischen Moduleinrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Stroms über den Seebeck-Effekt nutzen.
Insbesondere ist die thermoelektrische Vorrichtung als thermoelektrische Generatorvorrichtung ausgebildet, wobei in der thermoelektrischen Moduleinrichtung über den Seebeck-Effekt ein elektrischer Strom erzeugt wird.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer thermoelektrischen Vorrichtung (thermoelektrischen Generatorvorrichtung);
2 eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Latentwärmespeichereinrichtung;
3 eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 gemäß 2;
4 eine perspektivische Teilschnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Latentwärmespeichereinrichtung;
5 eine Schnittansicht längs der Linie 5-5 gemäß 4;
6 eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Latentwärmespeichereinrichtung;
7 eine Schnittansicht längs der Linie 7-7 gemäß 6; und
8 eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Latentwärmespeichereinrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Vorrichtung ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung, welche in 1 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist. Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 ist mehrlagig aufgebaut. Sie umfasst eine thermoelektrische Moduleinrichtung 12. Die thermoelektrische Moduleinrichtung 12 hat eine Heißseite 14 und eine Kaltseite 16.
Sie weist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 18 auf. Beispielsweise umfasst ein thermoelektrisches Modul 18 ein erstes Gehäuseelement und ein gegenüberliegendes zweite Gehäuseelement. Das erste Gehäuseelement liegt an der Heißseite 14 und das zweite Gehäuseelement an der Kaltseite 16. Die Gehäuseelemente sind insbesondere aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet.
Das erste Gehäuseelement und das zweite Gehäuseelement sind aus einem elektrischen isolierenden Material hergestellt bzw. einen Innenraum zwischen dem ersten Gehäuseelement und dem zweiten Gehäuseelement zugewandt ist eine elektrische Isolierung angeordnet. In dem Innenraum sind beispielsweise alternierend n-Leiter und p-Leiter positioniert, wobei benachbarte n-Leiter und p-Leiter über eine elektrisch leitende Brücke (beispielsweise aus einem metallischen Material) miteinander verbunden sind. Zwischen der Heißseite 14 und der Kaltseite 16 entsteht ein Wärmestrom 20 an den thermoelektrischen Modulen 18. Über den Seebeck-Effekt kann daraus ein nutzbar elektrischer Strom generiert werden.
Bezüglich der näheren Ausbildung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 12 wird auf die DE 10 2010 042 603 A1 und dort insbesondere die 3 verwiesen.
Mit der Heißseite 14 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 12 (und damit den entsprechenden Gehäuseelementen) ist eine Latentwärmespeichereinrichtung 22 thermisch verbunden. Die Latentwärmespeichereinrichtung 22 weist ein Gehäuse 24 auf, in welchem ein Aufnahmeraum 26 für ein Phasenwechselmedium 28 gebildet ist. Das Gehäuse 24 hat dabei eine erste Wandung 30, welche insbesondere eben ausgebildet ist, und eine beabstandete gegenüberliegende zweite Wandung 32, welche ebenfalls insbesondere eben ausgebildet ist. Zwischen der ersten Wandung 30 und der zweiten Wandung 32 ist der Aufnahmeraum 26 gebildet.
Beim Ausführungsbeispiel liegen die erste Wandung 30 und die zweite Wandung 32 parallel zueinander.
Die erste Wandung 30 liegt an der Heißseite 14 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 12.
Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 umfasst ferner einen Heißseitenwärmeübertrager 34. Über den Heißseitenwärmeübertrager 34 wird in das System Wärme eingekoppelt. Der Heißseitenwärmeübertrager 34 steht in thermischem Kontakt mit der zweiten Wandung 32 der Latentwärmespeichereinrichtung 22.
An der Kaltseite 16 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 12 ist ein Kaltseitenwärmeübertrager 36 angeordnet. Die Temperatur (T₂) am Kaltseitenwärmeübertrager 36 liegt im Betriebsmodus der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 niedriger als die Temperatur T₁ am Heißseitenwärmeübertrager 34. Dadurch entsteht ein Temperaturgradient über die thermoelektrische Moduleinrichtung 12, welcher die Wärmeströme 20 bewirkt.
Die verschiedenen Lagen der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 10 (thermoelektrische Moduleinrichtung 12, Latentwärmespeichereinrichtung 22, Heißseitenwärmeübertrager 34, Kaltseitenwärmeübertrager 36) sind durch geeignete Mittel miteinander verbunden. Beispielsweise ist eine Verspannungseinrichtung 38 vorgesehen, welche die entsprechenden Lagen miteinander verspannt. Die einzelnen Elemente sind dabei so ausgebildet, dass Luftspalte zwischen aneinander anliegenden Elementen (Heißseitenwärmeübertrager 34 und Latentwärmespeichereinrichtung 22; Latentwärmespeichereinrichtung 22 und thermoelektrische Moduleinrichtung 12; thermoelektrische Moduleinrichtung 12 und Kaltseitenübertrager 36) minimiert und vorzugsweise verhindert sind. Insbesondere sind aneinander liegende Seiten eben ausgebildet.
Durch die Latentwärmespeichereinrichtung 22 mit Einsatz eines Phasenwechselmediums 28 (welches ein Material oder eine Mehrzahl von Materialien sein kann) lässt sich eine Vergleichmäßigung bei der Wärmebeaufschlagung erreichen.
Wenn beispielsweise der Heißseitenwärmeübertrager 34 mit einem Abgasstrom beispielsweise eines Fahrzeugs betrieben wird, besteht das grundsätzliche Problem, dass das Temperaturniveau des Abgasstroms schwanken kann und damit auch der Wärmeeintrag. Beispielsweise zeigt der Abgasstrom von Verbrennungsmotoren im Fahrzyklus eines Kraftfahrzeugs ein stark transientes Verhalten.
In der Regel ist es notwendig, die thermoelektrische Moduleinrichtung 12 auf ein bestimmten Arbeitspunkt auszulegen. Dieser Arbeitspunkt wird üblicherweise so gewählt, dass in einem Zyklus ein bestimmter Betriebszustand möglichst häufiger erreicht wird. Dies führt dazu, dass ein maximales Temperaturpotenzial bei niedrigeren Lastzuständen nicht ausgeschöpft wird und bei höheren Lastzuständen ein Teil des Abgasmassenstroms an der thermoelektrischen Moduleinrichtung 12 vorbei geleitet werden muss, um zu verhindern, dass eine maximale Einsatztemperatur der thermoelektrischen Module 18 überschritten wird.
Durch das Phasenwechselmedium 28 der Latentwärmespeichereinrichtung 22 lässt sich überschüssige Abgaswärme aufnehmen und die gespeicherte Wärme lässt sich in Phasen niedrigerer Lastzustände für die thermoelektrische Moduleinrichtung 12 nutzen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Gehäuse 24 der Latentwärmespeichereinrichtung 22 eine Stützstruktur aufweist. Bei einem ersten Ausführungsbeispiel einer Stützstruktur 40 (2 und 3) sind Stützelemente 42 zwischen der ersten Wandung 30 und der zweiten Wandung 32 des Gehäuses 24 angeordnet. Die Stützelemente 42 stützen sich dabei an der ersten Wandung 30 und an der zweiten Wandung 32 ab. Sie sind beispielsweise einstückig mit der ersten Wandung 30 bzw. der zweiten Wandung 32 verbunden oder beispielsweise stoffschlüssig mit diesen verbunden.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel bildet ein Stützelement 42 selber eine Wandung, welche quer und insbesondere senkrecht zu der ersten Wandung 30 und der zweiten Wandung 32 ausgerichtet ist. Es sind eine Mehrzahl von solchen beabstandeten Stützelementen 42 vorgesehen. Dadurch wird der Aufnahmeraum 26 in eine Mehrzahl von getrennten Kammern 44 unterteilt. In den entsprechenden Kammern 44 ist jeweils Phasenwechselmedium aufgenommen.
Die Stützstruktur 40 erhöht die mechanische Stabilität des Gehäuses 24. Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Stützelemente 42 (Stützwände) aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit und beispielsweise metallischer thermischer Leitfähigkeit hergestellt sind. Insbesondere beträgt die Wärmeleitfähigkeit mehr als 10 W/mK und beispielsweise mehr als 50 W/mK.
Die Stützelemente 42 sind insbesondere gleichmäßig angeordnet. Beim Ausführungsbeispiel weisen die Kammern 44 den gleichen Querschnitt (2) auf. Dadurch lässt sich (wie unten stehend noch näher erläutert wird) eine gleichmäßige Krafteinleitung erreichen.
Bei der Stützstruktur 40 erstrecken sich die Stützelemente 42 über die gesamte Breite B des Gehäuses 24. Die Stützelemente 42 sind mit einer Vorderwand 46 und einer Rückwand 48 des Gehäuses 24 verbunden. Seitenwände 50, 52 sind parallel zu den Stützelementen 42 ausgerichtet.
Durch die Stützstruktur 40 wird die Formhaltigkeit des Gehäuses 24 erhöht, um eine effektive Wärmeübertragung an die thermoelektrische Moduleinrichtung 12 auch bei Wärmebelastung zu ermöglichen. Eine Verformung von entsprechenden Anlageflächen an der ersten Wandung 30 an die thermoelektrische Moduleinrichtung 12 wird minimiert.
Beim Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 kann ein Schmelzen des Phasenwechselmediums 28 erfolgen, wenn eine entsprechende Phasenwechseltemperatur erreicht ist. Mit dem Aufschmelzen sinkt die mechanische Festigkeit des Phasenwechselmediums 28. Durch die von dem Phasenwechselmedium 28 getrennte Stützstruktur 40, welche keinem Phasenwechselvorgang unterliegt, wird die Gesamtsteifigkeit der Latentwärmespeichereinrichtung 22 erhöht.
Ein Phasenwechselvorgang im Phasenwechselmedium 28 führt zu einer Volumenänderung. Es kann dabei grundsätzlich zu einer Spaltbildung oder Lunkerbildung im Phasenwechselmedium kommen. Dies kann die mechanische Steifigkeit einer Phasenwechselmediumschicht erniedrigen und kann zu hohen Wärmewiderständen in einer Phasenwechselmediumschicht führen. Außerdem kann es im Betrieb aufgrund schlechter Wärmeleitung in einer Phasenwechselmediumschicht zu einem erhöhten Temperaturabfall über einer Schicht führen. Dies wiederum kann zu einem Leistungseinbruch der thermoelektrischen Moduleinrichtung 12 führen.
Die Stützstruktur 40 sorgt für eine Verringerung und insbesondere Minimierung des Temperaturabfalls an einer Phasenwechselmediumschicht. Dadurch kann ein maximales Temperaturpotenzial durch die thermoelektrische Moduleinrichtung 12 besser genutzt werden.
Die Stützstruktur 40 kann äußere und innere Kräfte, welche auf die Phasenwechselmediumschicht wirken, aufnehmen und damit die Formhaltigkeit von den entsprechenden Anlageflächen der Latentwärmespeichereinrichtung 22 über jeden Betriebspunkt der Latentwärmespeichereinrichtung 22 sicherstellen.
Spalte oder Lunker in der Phasenwechselmediumschicht, welche durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen verursacht sind, können durch die Stützstruktur 40 überbrückt werden. Dadurch ist auch bei einer Spaltbildung und Lunkerbildung ein Wärmeeintrag in das Phasenwechselmedium 28 sichergestellt.
Es lässt sich dadurch eine hohe Beladungsdynamik und Entladungsdynamik erreichen.
Grundsätzlich lässt sich durch das Vorsehen der Kammern 44 eine erhöhte Formhaltigkeit der Phasenwechselmediumschicht erreichen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Latentwärmespeichereinrichtung 22 umfasst wiederrum ein Gehäuse 24 mit einer Stützstruktur 54 (4 und 5). Es werden dabei die gleichen Elemente mit gleichen Bezugszeichen verwendet. Die Stützstruktur 54 umfasst bei diesem Beispiel Säulen oder Stifte 56, welche mit der ersten Wandung 30 und der zweiten Wandung 32 beispielsweise stoffschlüssig verbunden sind und sich in der Abstandsrichtung zwischen der ersten Wandung 30 und der zweiten Wandung 32 erstrecken.
Es sind eine Mehrzahl von Säulen 56 vorgesehen, welche insbesondere gleichmäßig und regelmäßig angeordnet sind. Beispielsweise sind die Säulen 56 in einem Quadratgitter angeordnet. Die Säulen 56 sind dabei beabstandet zueinander. Zwischen benachbarten Säulen 56 ist ein Zwischenraum gebildet. Der Aufnahmeraum 26 umfasst eine einzige Kammer 58, in welchem Phasenwechselmedium 28 angeordnet ist.
Die Säulen 56 weisen vorzugsweise eine abgerundete Außenkontur auf und sind beispielsweise zylindrisch.
Die Stützstruktur 54 funktioniert grundsätzlich so wie oben anhand der Stützstruktur 40 beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Latentwärmespeichereinrichtung, welches in 6 und 7 gezeigt ist, ist eine Stützstruktur 60 vorgesehen, welche eine Wabenstruktur ist. Diese Stützstruktur 60 umfasst eine Mehrzahl von Waben 62. Eine Wabe 62 erstreckt sich dabei in einer Höhenrichtung 64, welche eine Abstandsrichtung zwischen der ersten Wandung 30 und der zweiten Wandung 32 ist.
Die Waben 62 sind entsprechend in einem Sechseckgitter angeordnet. Eine Wabe 62 weist dabei einen Innenraum (Kammer) 66 auf. Der Innenraum 66 hat einen sechseckigen Querschnitt. Die Summe der Innenräume 26 bilden den Aufnahmeraum 26. In jedem Innenraum 66 der Waben 62 ist Phasenwechselmedium 28 aufgenommen.
Ansonsten funktioniert die Stützstruktur 60 wie oben beschrieben.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in 8 gezeigt ist, umfasst die Latentwärmespeichereinrichtung 22 wiederum ein Gehäuse 24 mit erster Wandung 30 und zweiter Wandung 32. Es ist eine Stützstruktur 68 vorgesehen. Diese Stützstruktur 68 ist eine Wellenstruktur ("Wellblechstruktur"). Sie umfasst eine beispielsweise sinusförmige Struktur mit Wellentälern 70 und Wellenbergen 72. Die Wellentäler 70 sind dabei beispielsweise stoffschlüssig mit der zweiten Wandung 32 verbunden und die Wellenberge 72 beispielsweise stoffschlüssig mit der ersten Wandung 30.
Die Stützstruktur 68 bildet geschlossene Kammern 74 aus. Eine solche Kammer 74 erstreckt sich längs einer Breite des entsprechenden Gehäuses 24.
Ansonsten funktioniert die Stützstruktur 68 wie oben beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist in dem Gehäuse 24 der Latentwärmespeichereinrichtung 22 eine vom Phasenwechselmedium 28 unabhängige Stützstruktur 40 bzw. 54 bzw. 60 bzw. 68 angeordnet. Diese Stützstruktur sorgt für eine hohe Steifigkeit und Formstabilität und verbessert den Wärmeeintrag in das Phasenwechselmedium 28. Es lässt sich eine hohe Beladungs- und Entladungsdynamik erreichen.
Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 lässt sich universell zur Erzeugung elektrischer Energie einsetzen. Grundsätzlich kann auch eine thermoelektrische Vorrichtung für Kühlzwecke eingesetzt werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung lässt sich, auch wenn kein stationärer Wärmestrom vorliegt, Abwärme, welche über den Heißseitenwärmeträger 34 bereitgestellt wird, effektiv nutzen. Insbesondere lässt sich ein langzeitstabiles und effizientes Abwärmenutzungssystem bereitstellen.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich insbesondere einsetzen, wenn das Abwärmeangebot transient ist, wie beispielsweise bei einem verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeug oder einem Kraftfahrzeug mit Range Extender, welcher verbrennungsmotorisch betrieben ist. Die erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung lässt sich beispielsweise auch bei industriellen Fertigungsprozessen mit diskontinuierlicher Wärmeabgabe einsetzen. Beispielsweise ist auch eine thermoelektrische Energiewandlung durch Sonnenwärme möglich.
Bezugszeichenliste

10: Thermoelektrische Generatorvorrichtung
12: Thermoelektrische Moduleinrichtung
14: Heißseite
16: Kaltseite
18: Thermoelektrische Modul
20: Wärmestrom
22: Latentwärmespeichereinrichtung
24: Gehäuse
26: Aufnahmeraum
28: Phasenwechselmedium
30: Erste Wandung
32: Zweite Wandung
34: Heißseitenwärmeübertrager
36: Kaltseitenwärmeübertrager
38: Verspannungseinrichtung
40: Stützstruktur
42: Stützelement
44: Kammer
46: Vorderwand
48: Rückwand
50: Seitenwand
52: Seitenwand
56: Säule
58: Kammer
60: Stützstruktur
62: Wabe
64: Höhenrichtung
66: Innenraum
68: Stützstruktur
70: Wellental
72: Wellenberg
74: Kammer

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010042603 A1 [0002, 0047]
DE 102006040853 B3 [0003]

Claims

Thermoelektrische Vorrichtung, umfassend eine thermoelektrische Moduleinrichtung (12) mit einer Kaltseite (16) und einer Heißseite (14), und eine Latentwärmespeichereinrichtung (22), welche an der Heißseite (14) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (12) angeordnet ist, wobei die Latentwärmespeichereinrichtung (22) mindestens ein Gehäuse (24) mit einem Aufnahmeraum (26) für ein Phasenwechselmedium (28) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuse (24) eine erste Wandung (30) und eine gegenüberliegende zweite Wandung (32) hat, wobei die erste Wandung (30) in Kontakt mit der Heißseite (14) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (12) steht, und dass zwischen der ersten Wandung (30) und der zweiten Wandung (32) eine Stützstruktur (40; 54; 60; 68) mit mindestens einem Stützelement (42; 56; 62) angeordnet ist, welches sich an der ersten Wandung (30) und der zweiten Wandung (32) abstützt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (30) und die zweite Wandung (32) mindestens näherungsweise parallel zueinander sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wandung (30) und/oder die zweite Wandung (32) mindestens näherungsweise eben ausgebildet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützelement (42; 56; 62) einstückig oder stoffschlüssig mit der ersten Wandung (30) und/oder der zweiten Wandung (32) verbunden ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützelement (42; 56; 62) aus einem wärmeleitfähigen Material hergestellt ist, wobei insbesondere die Wärmeleitfähigkeit größer als 10 W/mK ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützelement (42; 56; 62) aus dem gleichen Material hergestellt ist wie die erste Wandung (30) und/oder die zweite Wandung (32).
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Stützelementen (42; 56; 62), welche insbesondere gleichmäßig und/oder regelmäßig verteilt angeordnet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützelement (42) eine Wandung bildet, welche den Aufnahmeraum (26) in eine Mehrzahl von getrennten Kammern (44; 66; 74) unterteilt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Stützelement (42) sich über eine Breite des mindestens einen Gehäuses (24) erstreckt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum eine Mehrzahl von Kammern (44; 74) aufweist, wobei insbesondere ein Querschnitt einer Kammer (44; 74) vorgegeben ist durch den Abstand zwischen der ersten Wandung (30) und der zweiten Wandung (32) und dem Abstand zwischen benachbarten Stützelementen (42).
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (60) eine Wabenstruktur ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Höhenerstreckung einer Wabe (62) in einer Abstandsrichtung zwischen der ersten Wandung (30) und der zweiten Wandung (32) liegt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (26) eine Mehrzahl von im Querschnitt sechseckigen Kammern aufweist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (68) eine Wellenstruktur ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenberg (72) sich an der ersten Wandung (30) abstützt und ein Wellental (70) sich an der zweiten Wandung (32) abstützt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur (54) getrennte und beabstandete Säulen (56) oder Stifte umfasst.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmeraum (26) eine zusammenhängende Kammer ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Gehäuse (24) der Latentwärmespeichereinrichtung (22) mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung (12) verspannt ist.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Heißseitenwärmeübertrager (34), welcher in thermischem Kontakt mit der Latentwärmespeichereinrichtung (22) steht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kaltseitenwärmeübertrager (36), welcher in thermischem Kontakt mit der Kaltseite (16) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (12) steht.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als thermoelektrische Generatorvorrichtung.