DE102013204166A1

DE102013204166A1 - Thermoelektrischer Energiewandler

Info

Publication number: DE102013204166A1
Application number: DE201310204166
Authority: DE
Inventors: Martin Wischke; Bernhard Blocher; Stefan Schwamberger; Daniel Baur; Giovanni Biancuzzi
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-11

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme eines elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems, das mit der durch den Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt werden kann, einen thermoelektrischen Generator (TEG), ein Verbindungselement zur Herstellung einer thermischen Verbindung zwischen dem TEG und einem ersten thermischen Reservoir, einem zweiten thermischen Reservoir, das mit dem TEG thermisch verbunden ist, wobei das zweite thermische Reservoir durch zumindest einen Teil des Gehäuses gebildet wird. Das zweite thermische Reservoir wird dabei beispielsweise aus der Umgebungsluft mit Wärme oder Kälte gespeist.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme eines elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems, das mit der durch den Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt werden kann, einen thermoelektrischen Generator (TEG), ein Verbindungselement zur Herstellung einer thermischen Verbindung zwischen dem TEG und einem ersten thermischen Reservoir, und einem zweiten thermischen Reservoir, die mit dem TEG thermisch verbunden ist. Eines der beiden thermischen Reservoire dient dabei als Wärmequelle und das andere als Wärmesenke.
Ein solcher thermoelektrischer Energiewandler dient beispielsweise in einem Heizkörperthermostat oder einem Ventil an einem Leitungssystem als Energiequelle für einen elektrischen Stellantrieb.
Im Folgenden wird das erste thermische Reservoir auch als Wärmequelle und das zweite thermische Reservoir auch als Wärmesenke bezeichnet. Die Erfindung bezieht sich jedoch gleichermaßen auf den umgekehrten Fall, dass das erste thermische Reservoir durch eine Wärmesenke und das zweite thermische Reservoir durch eine Wärmequelle gegeben ist.
Beispielsweise dient die Wärme des Mediums im Leitungssystem als Wärmequelle. Zur Wärmeleitung kann z.B. eine Flüssigkeit verwendet werden. Die Wärme wird beispielsweise mit Hilfe einer Flanschverbindung als Verbindungselement über eine Wärmeleitung an den thermoelektrischen Generator (TEG) übertragen. Der TEG ist des Weiteren herkömmlicherweise mit einem in dem Gehäuse angeordneten Kühlkörper thermisch verbunden, der die Wärme ableiten und am TEG für den notwendigen Wärmegradienten sorgen soll.
Nachteilig an bekannten Energiewandlern ist, dass die Kühlleistung des Kühlkörpers unzureichend sein kann und die Effizienz des Energiewandlers mindert.
Ein weiterer Nachteil bekannter Energiewandler kann darin bestehen, dass die Befestigung des Energiewandlers an der Wärmequelle oder Wärmesenke oft mühsam ist und mehrere Arbeitsschritte benötigt.
Aufgabe der Erfindung ist es einen thermoelektrischen Energiewandler der vorgenannten Art zu schaffen, der eine höhere Effizienz und Ausbeute hat. Vorzugsweise soll außerdem ein Energiewandler geschaffen werden, der auf einfache Weise an einer Wärmequelle oder Wärmesenke befestigt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen thermoelektrischen Energiewandler mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist ein thermoelektrischer Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, geschaffen, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme eines elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems, das mit der durch den Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt werden kann, einen thermoelektrischen Generator (TEG), ein Verbindungselement zur Herstellung einer thermischen Verbindung zwischen dem TEG und einem ersten thermischen Reservoir, einem zweiten thermischen Reservoir, das mit dem TEG thermisch verbunden ist, wobei das zweite thermische Reservoir durch zumindest einen Teil des Gehäuses gebildet wird. Das zweite thermische Reservoir wird dabei beispielsweise aus der Umgebungsluft mit Wärme oder Kälte gespeist.
Der thermoelektrische Energiewandler kann das elektrische, elektronische oder elektromechanische System vollständig oder teilweise mit Energie versorgen. Insbesondere kann der thermoelektrische Energiewandler auch in Kombination mit einer oder mehreren anderen Energiequellen oder Energiespeichern, z.B. einem oder mehreren Kondensatoren und / oder Batterien, bzw. Akkus, betrieben werden. Der thermoelektrische Energiewandler kann beispielsweise auch nur ein Subsystem des elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems versorgen und / oder einen anderen Energiespeicher laden. Dabei kann die Energieversorgung durch den Energiewandler kontinuierlich aktiv sein, zum Beispiel um einen Controller oder andere elektronische Bauteile ständig mit Energie zu versorgen. Die Energieversorgung kann in einer anderen Ausführung aber auch nur dann mit einem Verbraucher oder einem anderen Energiespeicher elektrisch verbunden werden, wenn Bedarf besteht. Dies könnte zum Beispiel das Abfallen eines Ladestandes eines Energiespeichers oder der Verstellvorgang eines Ventils sein. Der thermoelektrische Energiewandler kann selbstverständlich auch mit anderen Energy-Harvesting Einrichtungen, z.B. mit einem Photovoltaik-Modul, kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass ein effizienterer Wärmeaustausch über Teile des Gehäuses erreichbar ist (z.B. eine effizientere Kühlung). Dafür eignen sich insbesondere die in Gebrauchsstellung (z.B. nach Befestigung an einem Heizkörper) senkrecht stehenden Wände des Gehäuses. Die entsprechenden Teile des Gehäuses sind vorzugsweise aus einem Material mit geeigneter Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Insbesondere beim Verwenden von senkrecht stehenden Wänden des Gehäuses als Flächen für den Wärmeaustausch entstehen Konvektionsströmungen, so dass der Wärmeaustausch besonders effizient ist. Die Erfindung kann aber ebenso in einem Gehäuse mit geneigten, runden oder abgerundeten Wänden verwendet werden. Beispielsweise kann das Gehäuse eine zylinderförmige oder kugelförmige Form, bzw. einen runden Querschnitt, aufweisen. Die Erfindung ist dabei keineswegs auf die genannten Gehäuseformen beschränkt, sondern kann mit allen denkbaren Gehäuseformen realisiert werden. Bevorzugt ist das Gehäuse jedoch derart gestaltet, dass die entstehenden Wärmeströmungen mindestens eine senkrechte (nach oben oder unten gerichtete) Komponente aufweisen. In einer zweckmäßigen Ausgestaltung weist das Gehäuse zudem Kühlrippen auf. Diese Kühlrippen können sich beispielsweise an der Außenseite einer oder mehrerer der Gehäusewände befinden, vorzugsweise mindestens im Bereich in dem ein Wärmeleiter mit der Innenseite des Gehäuses thermisch verbunden ist.
Ein separater Kühlkörper innerhalb des Gehäuses ist nicht notwendig, kann aber zur Steigerung der Kühlleistung zusätzlich vorgesehen sein. Somit lässt sich der erfindungsgemäße Energiewandler in einer im Vergleich zu herkömmlichen Energiewandlern kleineren Bauform realisieren, oder aber es besteht innerhalb des Gehäuses mehr Raum zur Verfügung für das elektrische, elektronische oder elektromechanische System, das durch den TEG mit Strom versorgt werden soll. Der erfindungsgemäße Energiewandler kann z.B. an Leitungssystemen, bzw. an verfahrenstechnischen oder chemischen Anlagen verwendet werden. Er kann dabei zur elektrischen Versorgung eines Stellantriebes, eines Sensors, einer Funkschnittstelle, einer Messeinrichtung oder eines anderen Systems verwendet werden.
In einer Ausgestaltung ist der TEG zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses angeordnet, während das Verbindungselement zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die thermische Verbindung zwischen der Wärmequelle und dem TEG erfolgt über einen thermischen Leiter mit Hilfe des Verbindungselementes. Das Verbindungselement kann beispielsweise als Flansch ausgebildet sein, um eine einfache Verbindung des thermischen Leiters mit dem Ventil eines Heizkörpers zu ermöglichen. Dabei kann das Verbindungselement und / oder der Wärmeleiter selbst in direktem Kontakt mit der Wärmequelle stehen. Das Verbindungselement soll vorrangig als Haltelement dienen, um den Wärmeleiter an der Warmseite zu befestigen, kann aber ebenso die Funktion einer Wärmebrücke einnehmen oder beide Funktionen kombiniert erfüllen.
Insbesondere sind das Verbindungselement und der TEG an gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses angeordnet, wobei das Verbindungselement an der Außenseite und der TEG an der Innenseite des Gehäuses angeordnet sein können. In dieser Ausgestaltung wird eine besonders gute Wärmeableitung über das Gehäuse erreicht.
Das Gehäuse des thermoelektrischen Energiewandlers kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen. Insbesondere kann es einen im Wesentlichen runden oder rechteckigen Querschnitt aufweisen. In vorteilhaften Ausführungen kann der Wärmeaustausch an den Gehäusewänden durch das Ausnutzen von dort auftretenden Konvektionsströmungen optimiert werden.
In einer anderen Ausgestaltung kann zusätzlich oder alternativ ein thermischer Leiter vorgesehen sein, der den TEG mit einer Wand des Gehäuses thermisch verbindet. Insbesondere können der TEG und das Verbindungselement zueinander benachbart an einer Wand des Gehäuses angeordnet sein, wobei der TEG über einen thermischen Leiter mit einer gegenüberliegenden Wand des Gehäuses thermisch verbunden ist. In dieser Ausgestaltung wird eine besonders gute Übertragung der Wärme von der Wärmequelle zu dem TEG erreicht. Die Erfindung kann selbstverständlich auch mit einem umgekehrten Aufbau mit vertauschter Warm- und Kaltseite realisiert werden. Beispielsweise kann eine in einem Rohrsystem transportierte Flüssigkeit (oder ein Gas) als Wärmesenke verwendet werden.
Bei diesen Anordnungen kann ein optimaler Temperaturgradient an dem TEG hergestellt werden, d.h. eine möglichst hohe Temperatur eingangsseitig (z.B. seitens der Wärmequelle, idealerweise im Wesentlichen gleich der Temperatur der Wärmequelle), und eine möglichst niedrige Temperatur ausgangsseitig (z.B. seitens des Gehäuses, idealerweise im Wesentlichen gleich einer Umgebungstemperatur außerhalb des Gehäuses).
Zur Herstellung eines möglichst hohen Temperaturgradienten an dem TEG weist mindestens ein Wärmeleiter vorzugsweise eine Kontaktfläche auf, über die der Wärmeleiter mit einer Kontaktfläche des TEGs thermisch verbunden ist, wobei die Kontaktfläche des oder der Wärmeleiter jeweils mindestens so groß ist wie die Kontaktfläche des TEG, und/oder wobei die Kontaktfläche mindestens eines Wärmeleiters auf einem Kontaktvorsprung dieses Wärmeleiters angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der TEG mittig zentriert auf der Kontaktfläche des Kontaktvorsprungs angeordnet, damit ein gleichmäßiger Wärmeübertrag erfolgt.
Der Kontaktvorsprung kann als Pyramidenstumpf ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere Formen realisierbar. Insbesondere können die Flanken des Vorsprungs gekrümmt sein und nahtlos in den Wärmeleiter übergehen.
Vorzugsweise bildet mindestens einer der Wärmeleiter einen Teil des elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems, das in dem Gehäuse vorgesehen sein kann, insbesondere einen Teil eines Getriebes in einem elektromechanischen System. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Realisierung der Wärmeleiter. Zum Beispiel kann mindestens einer der Wärmeleiter auch zur Lagerung von Achsen der Getrieberädern verwendet werden.
Um den Wärmegradienten am TEG weiter zu verbessern, kann der TEG zumindest teilweise von einem Freiraum umgeben sein, wobei der Freiraum vorzugsweise zumindest teilweise mit einem thermischen Isoliermittel gefüllt ist. Durch die Isolierung wird verhindert, dass Wärme etwa mittels Strahlung und / oder mittels Wärmeleitung ungenutzt verloren geht.
Es ist darüber hinaus zweckmäßig, zwischen dem TEG und den Wärmeleitungen, dem Verbindungsstück, und/oder dem Gehäuse ein Wärmeleitmedium vorzusehen, 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 maximiert werden kann.
Das Wärmeleitmedium kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste mit metallischen Füllstoffen sein. Insbesondere ist das Wärmeleitmedium aus Indium oder aus Graphit, die beide eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und dazu sehr weich sind. Es können jedoch auch Wärmeleitmittel verwendet werden, die aus anderen Materialien hergestellt sind.
In dem Gehäuse kann ein elektrisches, elektronisches oder elektromechanisches System enthalten sein, das von dem TEG mit elektrischer Energie versorgt wird. Ein derartiges elektrisches System kann beispielsweise ein Speicherelement wie einen Speicherkondensator, bzw. Akkumulator, und/oder eine Vorrichtung zur Spannungswandlung und/oder Spannungsregelung umfassen. Ein elektronisches System kann beispielsweise eine Verarbeitungseinheit, einen Sensor, und/oder eine Vorrichtung für drahtlose Kommunikation umfassen. Ein elektromechanisches System kann beispielsweise einen elektromechanischen Aktor oder Stellantrieb, und/oder eine mechanische Übersetzungsvorrichtung umfassen. Die mechanische Übersetzungsvorrichtung kann dabei eine Übersetzung ins Langsame (Übersetzungsverhältnis i > 1, Untersetzung) oder eine Übersetzung ins Schnelle (i < 1) bewirken. Somit lassen sich mittels des erfindungsgemäßen Energiewandlers diverse stromgetriebene Systeme realisieren, ohne dass diese eine elektrische Versorgung durch eine Batterie oder dgl. benötigen. Der erfindungsgemäßen Energiewandler kann in einer anderen Ausgestaltung eine in solche einem stromgetriebenen System bereits vorhandene Energiequelle laden und / oder unterstützen.
Erfindungsgemäß ist in einer Ausgestaltung außerdem ein thermoelektrischer Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie geschaffen, umfassend ein Gehäuse zur Aufnahme eines elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems, das mit der durch den Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt werden kann, einen thermoelektrischen Generator (TEG), ein Verbindungselement zur Herstellung oder Verbesserung einer thermischen Verbindung zwischen dem TEG und einem ersten thermischen Reservoir, ein zweites thermisches Reservoir, das mit dem TEG thermisch verbunden ist, wobei das Verbindungselement oder der TEG selbst mindestens einen Magneten zur Befestigung des Verbindungselementes an dem ersten thermischen Reservoir aus magnetischem Material, beispielsweise einem Leitungssystem oder einem Heizkörper, aufweist. Alternativ kann der TEG mittels mindestens eines Magneten an einem zweiten thermischen Reservoir befestigt werden, wobei auch in diesem Fall ein zusätzliches Verbindungselement vorteilhaft sein kann.
In dieser Ausgestaltung der Erfindung lässt sich der Energiewandler besonders einfach, d.h. ohne Schrauben oder Klemmen, an einer Wärmequelle, z.B. einem Leitungssystem, einem Heizkörper oder einem Heizkörperventil, befestigen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung eines Energiewandlers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung,
2: den Querschnitt durch ein Heizkörperthermostat mit einem Energiewandler gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
3: den Querschnitt durch ein Heizkörperthermostat mit einem Energiewandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,
4: den Querschnitt durch ein Heizkörperthermostat mit einem Energiewandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,
5: eine Explosionsdarstellung eines Heizkörperthermostaten mit einem Energiewandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung,
6: die schematische Vorderansicht eines Heizkörperthermostaten mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler,
7: die schematische Vorderansicht einer weiteren Ausgestaltung eines Heizkörperthermostaten mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler,
8: den schematischen Querschnitt durch ein Heizkörperthermostat mit einem Energiewandler gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
In 1 ist schematisch ein thermischer Energiewandler gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Beispielsweise kann der Energiewandler als elektrische Energiequelle in einem Heizkörperthermostat dienen. Alternativ kann der thermische Energiewandler auch in anderen elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Geräten eingesetzt werden, beispielsweise in einem Ventilsteller oder einem Durchflussmessgerät an einer Flüssigkeitsleitung.
Der Energiewandler weist einen thermoelektrischen Generator (TEG) 10 in einer TEG-Einheit 2 auf. Der TEG 10 ist einerseits über eine Wärmeleitung 8 mit Hilfe eines thermischen Verbindungselements 6 mit einem ersten thermischen Reservoir 7 – beispielsweise einem Leitungssystem oder einem Heizkörper – thermisch verbunden. Andererseits ist der TEG 10 über eine zweite Wärmeleitung 9 thermisch mit einem Gehäuse 11 verbunden. Das Gehäuse 11 ist zumindest teilweise aus einem geeigneten wärmeableitenden Material gefertigt und dient als zweites thermisches Reservoir für den TEG 10. In der gezeigten Ausführung sind die Wände des Gehäuses vollständig aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigt, so dass das Wärmepotential des zweiten thermischen Reservoirs durch die Umgebungsluft festgelegt wird ist.
Zweckmäßig kann es sein, wenn das gesamte Gehäuse 11 als Wärmesenke für den TEG 10 dient. In einer Ausgestaltung der Erfindung dienen jedoch nur Teile des Gehäuses 11 als Wärmesenke, insbesondere die in Gebrauchsstellung des Energiewandlers – beispielsweise nach Befestigung des Verbindungselementes 6 an einem Leitungssystem oder einem Heizkörper – senkrechten Wände des Gehäuses 11. Durch die an den senkrechten Wänden entstehenden Konvektionsströmungen, kann der Wärmeaustausch an diesen Wänden besonders effizient sein. Es kann besonders vorteilhaft sein, alle Wände des Gehäuses mit Ausnahme der Wand, die dem ersten thermischen Reservoir (z.B. der Wärmequelle) zugewandt ist, zum Wärmeaustausch zu verwenden.
Eine Ausführung eines Energiewandlers nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der das Gehäuse 11 nur teilweise aus gut wärmeleitendem Material besteht, ist in 2 im Querschnitt gezeigt. In dieser Ausgestaltung ist das Verbindungselement 6 außen an einer Wand 11a des Gehäuses 11 angeordnet. Der TEG 10 ist innen an der gegenüberliegenden Wand 11b des Gehäuses 11 angeordnet. Der TEG 10 ist einerseits thermisch mit der aus einem gut wärmeleitenden Material gefertigten Wand 11b, und andererseits thermisch mit der Wärmeleitung 8 verbunden. Die Wärmeleitung 8, die durch den Innenraum des Gehäuses 11 verläuft, stellt eine thermische Verbindung zwischen dem TEG 10 und dem ersten thermischen Reservoir mit Hilfe des Verbindungselements 6 her. Im Beispiel dient das erste thermische Reservoir als Wärmequelle (Warmseite). Eine weitere Besonderheit der in 2 gezeigten Ausführungsform, ist durch die einteilige Ausgestaltung der Wärmeleitung 8 und dem als Flansch ausgebildeten Verbindungselement 6 gegeben. Da das Verbindungselement 6 an seinem vom Gehäuse 11 entfernten Ende in direktem Kontakt mit der Warmseite, beispielsweise einem Rohr eines Heizungskreislaufes oder anderen Leitungssystems, in Kontakt steht, ist eine sehr gute Wärmeleitung bis zum TEG 10 möglich, ohne Verluste durch Zwischenbauteile oder Adapterelemente in Kauf nehmen zu müssen. Somit wird auch von vorneherein ausgeschlossen, dass solche Zwischenbauteile oder Adapterelemente bei der Montage oder während des Betriebes, zum Beispiel aufgrund mechanischer Kräfte oder thermischer Ausdehnungen, eine Verschlechterung der Wärmeleitkontakte untereinander erfahren und sich damit der Wirkungsgrad des Energiewandlers verkleinert. Vorzugsweise ist die Wärmeleitung 8 aus einem gut wärmeleitfähigen Metall, wie z.B. Kupfer oder Aluminium, gefertigt.
Die in 3 im Querschnitt gezeigte Ausführungsform des Energiewandlers entspricht, bis auf die Ausgestaltung der Wärmeleitung 8‘, des Verbindungselementes 6‘ und der Halteelemente dieser Bauteile im Wesentlichen der Ausführungsform der 2. In dieser Ausführungsform führt die Wärmeleitung 8‘ vom TEG 10 bis zur Außenseite der gegenüberliegenden Gehäusewand und wird zur Herstellung eines Wärmeleitkontaktes auf das Verbindungselement 6‘ gedrückt. Zwischen dem Verbindungselement 6‘ und der Wärmeleitung 8‘ kann zur Verbesserung des Wärmeleitkontaktes auch ein Wärmeleitmittel angebracht sein, das auch für den Ausgleich von Toleranzen hilfreich sein kann. Diese mehrteilige Ausgestaltung der Wärmeleitung 8‘ und des Verbindungselements 6‘ bringt den Vorteil einer höheren Flexibilität bei der Anordnung der einzelnen Bauteile mit sich.
4 zeigt im Querschnitt einen Energiewandlers nach einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausgestaltung ist der TEG 10 an derjenigen Wand 11a angeordnet, an der sich auch das Verbindungselement 6 befindet. Der TEG 10 ist einerseits direkt, oder über ein Wärmeleitmedium, mit dem Verbindungselement 6 thermisch verbunden. Andererseits ist der TEG über die Wärmeleitung 9 mit der gegenüberliegenden Wand 11b des Gehäuses 11 verbunden. Die Wärmeleitung 9 stellt eine thermische Verbindung zwischen dem TEG 10 und der Wand 11b her, wobei die thermische Verbindung auch in dieser Ausgestaltung quer durch den Innenraum des Gehäuses 11 verläuft. Dabei kann die Wärmeleitung 9 an der Wand 11b beispielsweise durch eine oder mehrere Schrauben 16 fixiert werden, so dass diese Konstruktion mechanisch stabil ist und einen guten Wärmeleitkontakt aufweist. Selbstverständlich kann zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit auch zwischen der Wand 11b und der Wärmeleitung 9b ein Wärmeleitmittel eingebracht werden. Ebenso kann eine Bauweise vorteilhaft sein, in der die Wärmeleitung 9 und die Wand 11b einteilig ausgestaltet sind.
Anhand der Explosionsdarstellung der 5 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in der die beiden Seitenwände 11c, 11d des Gehäuses 11 als Wärmesenke dienen. Zur Wärmeleitung ist der Wärmeleiter 9‘ T-förmig ausgestaltet und an den Wänden 11c, 11d jeweils mittels einer oder mehrerer Schrauben 16 fixiert. Über eine Haltevorrichtung 19 kann der Wärmeleiter 9‘ zusätzlich fixiert werden, so dass über ein Wärmeleitmittel 13 eine passgenaue Verbindung zum TEG hergestellt werden kann. Der TEG 10 ist über ein zweites Wärmeleitmittel 13 mit der Warmseite verbunden. Im Beispiel ist wird der Kontakt zur Warmseite wiederum mit Hilfe des als Flansch ausgebildeten Verbindungselements 6 hergestellt. In der 5 ist schematisch auch die Getriebeeinheit 17 eines Heizkörperventilstellers gezeigt. Das durch einen Elektromotor angetriebene Getriebe der Getriebeeinheit 17 wirkt dabei auf einen in einem Lager gehaltenen Exzenter 15, der über einen in einem Lager 23 gelagerten Übertragungsstift 18 einen (nicht gezeigten) Ventilstift des Heizkörperventils verstellen kann. Im gezeigten Beispiel des Heizkörperventilstellers bewirkt die Getriebeeinheit 17 vorzugsweise eine Übersetzung von Antrieb zu Abtrieb ins Langsame (Übersetzungsverhältnis i > 1; auch Untersetzung genannt).
Bei den in den 2 bis 5 gezeigten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung bildet das Gehäuse 11 beispielsweise das Gehäuse eines Heizkörperthermostats, wobei der Ventilstift des Heizkörperventils, wie bereits in 4 beschrieben, über einen Übertragungsstift 18 verstellt wird. Das Verbindungselement 6 ist beispielsweise als metallener Flansch ausgestaltet, der an einem Heizkörperventil (nicht gezeigt) befestigbar ist. Der Flansch ist thermisch mit dem TEG 10 verbunden und trägt im Beispiel zusätzlich eine Mutter als weiteres Verbindungselement 20 zur Befestigung an einem Rohrsystem. Das Heizkörperventil und / oder Teile des Heizungskreislaufes die in thermischem Kontakt mit dem Flansch (Verbindungselement 6) stehen, dienen in diesem Fall als Wärmequelle, da sie permanent mit dem heißen Wasser des Heizkreislaufes in Kontakt sind und damit ständig Wärme zufließt, solange die Heizungsanlage in Betrieb ist. Insbesondere können Teile des Rohrsystems des Heizkreislaufes in thermischem Kontakt mit dem Flansch stehen. Sowohl der TEG 10 als auch der Heizkörperthermostat sowie weitere Energiequellen und / oder Energiespeicher und / oder andere Bauteile können über einen auf einer Leiterplatte 24 angebrachten Mikrocontroller gesteuert, bzw. geregelt und / oder überwacht werden. Im Beispiel der 5 ist als weiterer Energiespeicher 22 ein Kondensator mit rundem Querschnitt auf der Leiterplatte 24 angebracht. Die Leiterplatte 24 selbst ist im Beispiel auf der Unterseite der Getriebeeinheit 17 angebracht, wodurch eine platzsparende Bauform erzielt wird und lange Leitungswege vermieden werden.
Die Funktion des TEG 10 basiert beispielsweise auf dem Seebeck-Effekt, dem Peltier-Effekt, und / oder dem Thomson-Effekt. Diese Effekte sind nicht voneinander unabhängig, sondern durch die sogenannten Thomson-Relationen miteinander verknüpft. Die Effekte sind an sich bekannt und deshalb nicht näher beschrieben. Auf Grundlage dieser Effekte, beispielsweise dem Seebeck-Effekt, kann der TEG 10 aus dem Temperaturunterschied an gegenüberliegenden Seiten des TEGs elektrische Energie erzeugen, d.h. thermische Energie in elektrische Energie umwandeln. Der TEG 10 ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet, wobei die thermisch aktiven Flächen an gegenüberliegenden Seiten des Quaders liegen.
Die elektrische Spannung, die durch den TEG 10 erzeugt wird, ist dabei im Wesentlichen proportional zum Temperaturunterschied zwischen den gegenüberliegenden thermisch aktiven Flächen. Um einen möglichst großen Temperaturunterschied zu erzeugen, ist der TEG mit einer seinen thermisch aktiven Flächen mit dem Gehäuse 11 verbunden, das gemäß der vorliegenden Erfindung als zweites thermisches Reservoir dient. Mit der gegenüberliegenden thermisch aktiven Seite ist der TEG 10 mit dem ersten thermischen Reservoir 7 verbunden. Insbesondere kann das Wärmepotential des ersten thermischen Reservoirs 7 durch die Kopplung an ein Leitungssystem bestimmt sein und das Wärmepotential des zweiten thermischen Reservoirs durch die Kopplung an die Umgebungsluft bestimmt sein. Die erfindungsgemäße Energiewandler kann auch so ausgestaltet sein, dass er sowohl in der Konfiguration, dass das erste thermische Reservoir durch eine Wärmequelle gegeben ist und das zweite Reservoir durch eine Wärmesenke definiert ist, als auch in der umgekehrten Konfiguration, in der das erste thermische Reservoir durch eine Wärmesenke gegeben ist, betrieben werden kann. Beispielsweise kann der Energiewandler einen manuell oder elektronisch schaltbaren Schalter aufweisen, über den der Energiewandler der vorliegenden Konfiguration entsprechend eingestellt wird.
Die durch den TEG 10 erzeugte elektrische Energie kann in einem Energiespeicher 22, beispielsweise einem oder mehrere Kondensatoren oder Akkus, zwischengespeichert werden. Mit der gewonnenen Energie kann beispielsweise ein Heizkörperthermostat betätigt werden, der in dem Gehäuse 11 angeordnet sein kann. Ein solcher Heizkörperthermostat kann unter anderem einen Umgebungstemperatursensor und einen elektrischen Stellantrieb mit einem Elektromotor aufweisen, der über ein Getriebe eine Welle antreibt, die wiederum über einen in einem Lager (z.B. in einem Wälzlager) gelagerten Exzenter 15 auf den Ventilstift eines Heizkörperventils wirkt und somit den Durchfluss durch das Ventil in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur auf eine Solltemperatur regeln kann. Die Steuerung und Regelung des Heizkörperventils erfolgt beispielsweise über einen auf einer Leiterplatte 24 angeordneten Mikrocontroller. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der elektrische Energiebedarf des Heizkörperthermostates und / oder des Mikrocontrollers teilweise oder vollständig durch die durch den TEG 10 erzeugte elektrische Energie gedeckt werden. Der TEG kann dabei als primäre Energiequelle dienen oder eine andere primäre Energiequelle wie Kondensatoren oder aufladbare Batterien unterstützen oder laden.
In den 6 und 7 ist jeweils eine schematische Vorderansicht eines Energiewandlers gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das in 6 gezeigte Gehäuse entspricht dabei im Wesentlichen den in den 2 bis 5 gezeigten Bauformen eines Heizkörperthermostaten mit einem erfindungsgemäßen Energiewandler und rechteckigem Gehäuse, so dass Konvektionsströmungen entlang der senkrechten Wände (11a, 11b, 11c, 11d) begünstigt werden. Die Erfindung kann aber auch mit anderen Bauformen realisiert werden, beispielsweise mit einem Heizkörperthermostaten, der ein in 8 illustriertes Gehäuse 11‘ mit rundem Querschnitt aufweist.
8 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Energiewandlers gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung dargestellt. In dieser Ausgestaltung weist das Verbindungselement 6 einen Magneten 14 mit Magnetpolen 14a und 14b auf, durch welche der Energiewandler an einem ersten thermischen Reservoir 7 (einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke) aus magnetischem Material – beispielsweise einem Heizkörper oder Heizkörperventil – lösbar befestigt werden kann. Der Magnet 14 kann, wie im Beispiel, ringförmig innerhalb einer Stirnfläche des Verbindungsstückes 6 vorgesehen sein. Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen realisierbar, z.B. durch geeignete Anordnung eines oder mehrerer Magneten an der dem ersten thermischen Reservoir 7 zugewandten Seite des Verbindungselementes 6. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Energiewandlers ist besonders in einem elektrischen oder in einem elektronischen System vorteilhaft, beispielsweise zur elektrischen Versorgung eines Sensors, einer Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation oder eines Controllers wie z.B. einem Mikrocontroller. Als Vorrichtung zur drahtlosen Kommunikation kommen beispielsweise Sende- und / oder Empfangseinrichtungen für Funksignale wie z.B. WLAN (IEEE-802.11), Bluetooth (IEEE 802.15.1) oder ZigBee (IEEE 802.15.4) oder auch Sende- und / oder Empfangseinrichtungen für optische Signale, beispielsweise im Infrarot-Spektrum, in Betracht.
In der in 8 schematisch gezeigten Ausgestaltung weist das durch zumindest einen Teil des Gehäuses gebildete und im Beispiel als Wärmesenke dienende zweite thermische Reservoir mehrere Kühlrippen 12 auf, um eine bessere Kühlleistung zu erzielen. Im Beispiel des Heizkörperthermostaten dient dann das erste thermische Reservoir als Wärmequelle.
Vorzugsweise ist der Wärmewiderstand im gesamten Pfad von dem ersten thermischen Reservoir 7 (Wärmequelle im Falle eines Heizkörperthermostaten) bis zu dem durch das Gehäuse gebildeten zweiten thermischen Reservoir kleiner, als im TEG 10. Aus diesem Grund ist zwischen einer ersten aktiven Fläche des TEGs 10 und dem Wärmeleiter 9 sowie zwischen einer zweiten aktiven Fläche des TEGs 10 und der Wärmequelle jeweils ein Wärmeleitmittel 13 vorgesehen, das den Wärmeübergangwiderstand verringert. Es ist dabei vorteilhaft, wenn das Wärmeleitmittel 13 aus einem weichen Material besteht, so dass ein guter Wärmeleitkontakt hergestellt werden kann. Dieses Wärmeleitmittel 13 kann beispielsweise durch ein dünnes Blättchen aus Indium oder Graphit gebildet sein. Sowohl Indium als auch Graphit haben einen sehr geringen Wärmewiderstand und sind sehr weich, so dass durch Anpressen ein nahezu luftfreier Kontakt herstellbar ist.
Neben den hier gezeigten Ausführungen sind noch weitere Ausführungen im Sinne der Erfindung möglich.
Bezugszeichenliste

2: TEG-Einheit
6: Verbindungselement
7: erstes thermisches Reservoir
8, 8‘: Wärmeleiter
9, 9‘: Wärmeleiter
10: TEG
11, 11‘: Gehäuse
11a, 11b, 11c, 11d: Wände des Gehäuses
12: Kühlrippen
13: Wärmeleitmittel
14: Magnet
15: Exzenter
16: Schrauben
17: Getriebeeinheit
18: Übertragungsstift
19: Haltevorrichtung
20: Mutter
21: Leiterplatte
22: Energiespeicher
23: Lager
24: Leiterplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

IEEE-802.11 [0050]
IEEE 802.15.1 [0050]
IEEE 802.15.4 [0050]

Claims

Thermoelektrischer Energiewandler zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, umfassend: ein Gehäuse (11) zur Aufnahme eines elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems, das mit der durch den thermoelektrischen Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt werden kann; einen thermoelektrischen Generator (TEG) (10); ein Verbindungselement (6) zur Herstellung einer thermischen Verbindung zwischen dem TEG (10) und ein erstes thermischen Reservoir (7); ein zweites thermisches Reservoir, das mit dem TEG (10) thermisch verbunden ist, wobei eines der beiden thermischen Reservoire als Wärmequelle und das andere thermische Reservoir als Wärmesenke dient, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite thermische Reservoir durch zumindest einen Teil des Gehäuses (11) gebildet wird.
Energiewandler nach Anspruch 1, wobei das zweite thermische Reservoir durch mindestens eine der in Gebrauchsstellung des Energiewandlers zumindest abschnittsweise senkrecht stehenden Wände des Gehäuses (11) gebildet wird.
Energiewandler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der TEG (10) zumindest teilweise innerhalb des Gehäuses (11) angeordnet ist, und/oder wobei das Verbindungselement (6) zumindest teilweise außerhalb des Gehäuses (11) angeordnet ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) über einen Wärmeleiter (8, 8‘) mit dem TEG (10) thermisch verbunden ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) und der TEG (10) an gegenüberliegenden Wänden des Gehäuses (11) angeordnet sind.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der TEG (10) über einen Wärmeleiter (9, 9‘) mit einer Wand des Gehäuses (11) thermisch verbunden ist.
Energiewandler nach Anspruch 6, wobei der TEG (10) und das Verbindungselement (6) an einer Wand des Gehäuses (11) angeordnet sind, und wobei der TEG (10) über den Wärmeleiter (9, 9‘) mit einer gegenüberliegenden Wand des Gehäuses (11) thermisch verbunden ist.
Energiewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei mindestens ein Wärmeleiter (8, 8‘, 9, 9‘) eine Kontaktfläche aufweist, über die der mindestens eine Wärmeleiter (8, 8‘, 9, 9‘) mit einer Kontaktfläche des TEG (10) thermisch verbunden ist, wobei die Kontaktfläche mindestens eines Wärmeleiters (8, 8‘, 9, 9‘) mindestens so groß ist wie die Kontaktfläche des TEG (10).
Energiewandler nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei der Wärmeleiter (8, 8‘, 9, 9‘) einen Teil des elektrischen, elektronischen oder elektromechanischen Systems bildet.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Außenseite des Gehäuses (11) zumindest in dem Bereich mit Kühlrippen versehen ist, in dem der Wärmeleiter (9, 9‘) mit der Innenseite des Gehäuses (11) thermisch verbunden ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der TEG (10) zumindest teilweise von einem Freiraum und / oder von einem Isoliermittel umgeben ist.
Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungselement (6) mindestens einen Magneten zur mittelbaren oder unmittelbaren Befestigung des TEGs (10) an dem ersten thermischen Reservoir (7) oder dem zweiten thermischen Reservoir aufweist.
Vorrichtung, umfassend einen thermoelektrischen Energiewandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche; wobei in dem Gehäuse (11) mindestens eines der folgenden Systeme angeordnet ist und mit der durch den Energiewandler erzeugten elektrischen Energie versorgt wird: ein elektrisches System mit mindestens einem Energiespeicher (22), und/oder einer Vorrichtung zur Spannungswandlung und/oder Spannungsregelung; ein elektronisches System mit mindestens einer Verarbeitungseinheit, und/oder einem Sensor, und/oder einer Vorrichtung für drahtlose Kommunikation; ein elektromechanisches System mit mindestens einem elektromechanischen Aktor oder Stellantrieb, und/oder einer mechanischem Übersetzungsvorrichtung.