DE102015223353A1

DE102015223353A1 - Thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere thermoelektrischer Generator

Info

Publication number: DE102015223353A1
Application number: DE102015223353.7A
Authority: DE
Inventors: Thomas Himmer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2015-11-25
Filing date: 2015-11-25
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2017089462A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung (1), insbesondere einen thermoelektrischen Generator, – mit einer Mehrzahl entlang einer Stapelrichtung (S) aufeinandergestapelter thermoelektrischer Module (2), die jeweils mehrere thermoelektrische Elemente aufweisen, – mit einer Mehrzahl von ersten Rohrkörpern (5), welche thermisch an die thermoelektrischen Module (2) gekoppelt sind und von einem ersten Fluid (F1) durchströmbar sind, – mit einer Mehrzahl von zweiten Rohrkörpern (7), welche thermisch an die thermoelektrischen Module (2) gekoppelt sind und von einem zweiten Fluid (F2) durchströmbar sind, – wobei sich die ersten Rohrkörper (5) in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) quer zu den zweiten Rohrkörpern (7) erstrecken.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere einen thermoelektrischen Generator.
Unter dem Begriff "Thermoelektrizität" versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander. Thermoelektrische Vorrichtungen machen sich diese Beeinflussung zunutze, um als thermoelektrische Generatoren elektrische Energie zu erzeugen. Thermoelektrische Generatoren wandeln Temperaturdifferenzen in eine elektrische Potentialdifferenz, also in eine elektrische Spannung, um. Hierdurch lässt sich ein Wärmestrom in einen elektrischen Strom umwandeln. Beispielsweise können derartige thermoelektrische Vorrichtungen in Modulform zur Abwärme-Rückgewinnung verwendet werden, insbesondere bei einer Brennkraftmaschine. Überschüssige Abwärme besitzt zum Beispiel gegenüber einer Umgebung oder gegenüber einem Kühlmittel eine Temperaturdifferenz, wodurch ein Wärmestrom erzeugt werden kann, der mit Hilfe derartiger thermoelektrischer Module in einen elektrischen Strom umwandelbar ist, was besagter Abwärme-Rückgewinnung entspricht.
Ein thermoelektrisches Modul weist typischerweise mehrere thermoelektrische Elemente in Form von positiv und negativ dotierten Halbleitermaterialien auf, die über mehrere Leiterbrücken elektrisch miteinander verschaltet sind. Das thermoelektrische Modul weist an seiner Kaltseite eine Außenwand auf, die als Kaltseitenwand bezeichnet werden kann und die mit mehreren kaltseitigen Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden ist. Analog dazu weist das thermoelektrische Modul an seiner Heißseite eine Außenwand auf, die eine Heißseitenwand bildet, die mit mehreren heißseitigen Leiterbrücken wärmeleitend, elektrisch isoliert und fest verbunden ist. Die thermoelektrischen Elemente sind dabei zwischen Kaltseitenwand und Heißseitenwand angeordnet, so dass sie sich zwischen den kaltseitigen und warmseitigen Leiterbrücken erstrecken.
Ein derartiges thermoelektrisches Modul ist beispielsweise aus der DE 1 539 322 A bekannt.
Aus dem Stand der Technik ist es auch bekannt, mehrere thermoelektrische Module aufeinander zu stapeln, um auf diese Weise die Leistungsfähigkeit der thermoelektrischen Vorrichtung zu verbessern.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von thermoelektrischen Vorrichtungen, insbesondere wenn diese als thermoelektrischer Generator realisiert sind, neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine thermoelektrische Vorrichtung mit ersten und zweiten Rohrkörpern auszustatten, die von einem ersten bzw. zweiten Fluid durchströmt werden können, wobei die beiden Fluide eine Temperaturdifferenz aufweisen. Sowohl die ersten als auch die zweiten Rohrkörper sind an thermoelektrische Module gekoppelt, die jeweils mehrere thermoelektrisch aktive Elemente aufweisen. Erfindungsgemäß erstrecken sich die ersten Rohrkörper quer zu den zweiten Rohrkörpern. Dies erlaubt eine stapelartige Anordnung mehrerer thermoelektrischer Module aufeinander, wobei zwischen zwei benachbarten thermoelektrischen Modulen jeweils ein erster oder zweiter Rohrkörper angeordnet ist. Dies erlaubt eine effektive thermische Kopplung der ersten Rohrkörper und somit des ersten Fluids mit einer Heißseite der thermoelektrischen Module und der zweiten Rohrkörper und somit des zweiten Fluids mit einer Kaltseite der thermoelektrischen Module, oder umgekehrt. Dabei ist der für die thermoelektrische Vorrichtung erforderliche Bauraum sowohl in einer Stapelrichtung der thermoelektrischen Module als auch in lateraler Richtung, also senkrecht zur Stapelrichtung, besonders gering.
Eine erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung, insbesondere ein thermoelektrischer Generator, umfasst eine Mehrzahl entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelter thermoelektrischer Module, die jeweils mehrere thermoelektrische Elemente aufweisen. Die thermoelektrische Vorrichtung umfasst eine Mehrzahl von ersten Rohrkörpern, welche thermisch an die thermoelektrischen Module gekoppelt und von einem ersten Fluid durchströmbar sind. Die thermoelektrische Vorrichtung umfasst ferner eine Mehrzahl von zweiten Rohrkörpern, welche ebenfalls thermisch an die thermoelektrischen Module gekoppelt sind und von einem zweiten Fluid durchströmbar sind. Erfindungsgemäß erstrecken sich die ersten Rohrkörper in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung quer zu den zweiten Rohrkörpern.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Rohrkörper längsförmig ausgebildet. Bei dieser Variante erstreckt sich eine Längserstreckungsrichtung der ersten Rohrkörper quer zu einer Längserstreckungsrichtung der zweiten Rohrkörper. Unter „längsförmig“ ist im Kontext der hier beschriebenen Erfindung zu verstehen, dass eine entlang der jeweiligen Längserstreckungsrichtung gemessene Länge der ersten/zweiten Rohrkörper größer ist als eine quer zur Längserstreckungsrichtung gemessenen Breite.
Zweckmäßig können entlang der ersten Längserstreckungsrichtung wenigstens zwei zweite Rohrkörper, vorzugsweise eine Mehrzahl von zweiten Rohrkörpern, benachbart zueinander angeordnet sein. Diese Maßnahme führt zu einer verbesserten thermischen Wechselwirkung des durch die zweiten Rohrkörper strömenden zweiten Fluids mit den thermoelektrischen Modulen.
Besonders bevorzugt wird durch die erste und die zweite Längserstreckungsrichtung eine Rohrkörper-Ebene definiert, die sich senkrecht zur Stapelrichtung erstreckt und in welcher die wenigstens zwei zweiten Rohrkörper angeordnet sind. Eine Anordnung der zweiten Rohrkörper in mehreren Ebenen erlaubt eine besonders kompakte Bauweise der thermoelektrischen Vorrichtung.
Einen besonders geringen Bedarf an Bauraum entlang der Stapelrichtung bewirkt eine vorteilhafte Weiterbildung, bei welcher entlang der Stapelrichtung wenigstens zwei Rohrkörper-Ebenen mit jeweils wenigstens zwei zweiten Rohrkörpern angeordnet sind.
Besonders bevorzugt weisen die thermoelektrischen Module jeweils eine Heißseite auf, die thermisch mit wenigstens einem ersten Rohrkörper verbunden ist. Ebenso weisen die thermoelektrischen Module jeweils eine Kaltseite auf, die thermisch mit wenigstens einem zweiten Rohrkörper verbunden ist. Auch eine bezüglich Heiß- und Kaltseite umgekehrte Konfiguration ist denkbar. Auch diese Maßnahme bewirkt eine besonders wirksame Kopplung der beiden Rohrkörper und somit der durch diese strömenden Fluide an die thermoelektrischen Module.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist in der Stapelrichtung zwischen zwei benachbarten thermoelektrischen Modulen jeweils ein erster Rohrkörper oder ein zweiter Rohrkörper angeordnet. Bei dieser Variante wechseln sich entlang der Stapelrichtung jeweils ein erster Rohrkörper und ein zweiter Rohrkörper ab. Dies ermöglicht einen besonders hohen Wirkungsgrad der thermoelektrischen Vorrichtung, wenn diese als thermoelektrischer Generator verwendet werden soll.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die ersten und/oder zweiten Rohrkörper jeweils eine Längsseite und eine Querseite auf. Bei dieser Variante erstrecken sich die Längsseiten der ersten Rohrkörpers quer zu den Längsseiten der zweiten Rohrkörper.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform münden die ersten Rohrkörper endseitig in einen gemeinsamen ersten Fluidverteiler zum Verteilen des ersten Fluids auf die ersten Rohrkörper. Weiterhin münden die ersten Rohrkörper in einen gemeinsamen ersten Fluidsammler zum Sammeln des ersten Fluids nach dem Durchströmen der ersten Rohrkörper. Dies erlaubt die Verteilung des ersten Fluids auch auf eine große Anzahl von ersten Rohrkörpern. Gleiches gilt für das Sammeln des ersten Fluids nach dem Durchströmen der einzelnen ersten Rohrkörper. Bevorzugt liegen bei dieser Variante der erste Fluidverteiler und der erste Fluidsammler vorzugsweise in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung einander gegenüber. Mit dieser Maßnahme geht eine effektive Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums einher.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform münden die zweiten Rohrkörper endseitig in einen gemeinsamen zweiten Fluidverteiler zum Verteilen des zweiten Fluids auf die zweiten Rohrkörper. Weiterhin münden die zweiten Rohrkörper in einen gemeinsamen zweiten Fluidsammler zum Sammeln des zweiten Fluids nach dem Durchströmen der zweiten Rohrkörper. Dies erlaubt die Verteilung des zweiten Fluids auch auf eine große Anzahl von zweiten Rohrkörpern. Gleiches gilt für das Sammeln des zweiten Fluids nach dem Durchströmen der einzelnen zweiten Rohrkörper. Bevorzugt liegen bei dieser Variante der zweite Fluidverteiler und der zweite Fluidsammler in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung einander gegenüber. Mit dieser Maßnahme geht eine effektive Nutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums einher.
Besonders zweckmäßig sind die beiden Fluidverteiler in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung im Wesentlichen um 90° versetzt zueinander angeordnet. Alternativ oder zusätzlich können auch die beiden Fluidsammler in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung im Wesentlichen um 90° versetzt zueinander angeordnet sein. Beide Maßnahmen, für sich genommen, insbesondere aber in Kombination, erlauben es, das erste und das zweite Fluid über geeignete Fluidleitungen im Kreuzstrom in die thermoelektrische Vorrichtung einzuleiten und nach dem Durchströmen wieder aus dieser auszuleiten.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform können der erste Fluidverteiler und der erste Fluidsammler als Gleichteile ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch der zweite Fluidverteiler sowie der zweite Fluidsammler als Gleichteile ausgebildet sein. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, erlauben eine nicht unerhebliche Reduzierung der Fertigungskosten der thermoelektrischen Vorrichtung.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens ein Fluidverteiler und/oder wenigstens ein Fluidsammler haubenartig oder domartig mit jeweils einer runden Durchgangsöffnung zum Durchströmen mit dem ersten oder mit dem zweiten Fluid ausgebildet. Dies erlaubt die Verteilung des ersten und/oder zweiten Fluids auf eine Vielzahl von ersten bzw. zweiten Rohrkörpern. Gleiches gilt, wenn das erste bzw. zweite Fluid nach dem Durchströmen der ersten bzw. zweiten Rohrkörper wieder im jeweiligen Fluidsammler gesammelt werden soll.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind wenigstens zwei erste Rohrkörper, vorzugsweise alle ersten Rohrkörper, an wenigstens einem ihrer beiden Längsenden mittels eines gemeinsamen ersten Bodens miteinander verbunden. Besonders bevorzugt ist für beide Längsenden ein jeweiliger erster Boden vorgesehen. Auf diese Weise können die ersten Rohrkörper stabil aneinander fixiert und die thermoelektrische Vorrichtung ausgesteift werden. Alternativ oder zusätzlich können auch wenigstens zwei zweite Rohrkörper, vorzugsweise alle zweiten Rohrkörper, an wenigstens einem ihrer beiden Längsenden mittels eines gemeinsamen zweiten Bodens miteinander verbunden sein. Besonders bevorzugt ist für beide Längsenden ein jeweiliger zweiter Boden vorgesehen. Auf diese Weise können die zweiten Rohrkörper stabil aneinander fixiert und folglich die thermoelektrische Vorrichtung ausgesteift werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, die technisch besonders einfach aufgebaut und somit mit besonders geringen Herstellungskosten verbunden ist, ist in dem wenigstens einen ersten Boden für die ersten Rohrkörper jeweils ein erster Durchbruch vorgesehen, in welchen der jeweilige erste Rohrkörper mündet. Alternativ oder zusätzlich ist in dem wenigstens einen zweiten Boden für jeden zweiten Rohrkörper jeweils ein zweiter Durchbruch vorgesehen, in welchen der jeweilige zweite Rohrkörper mündet. Auf diese Weise können die einzelnen Rohrkörper auf einfache Weise mit den bereits erwähnten Fluidverteilern bzw. Fluidsammlern in Fluidverbindung gesetzt werden.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und/oder zweiten Rohrkörper als Flachrohre ausgebildet. Eine entlang der Stapelrichtung gemessene Rohrkörper-Höhe der ersten bzw. zweiten Rohrkörper beträgt höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel, einer entlang einer ersten bzw. zweiten Quererstreckungsrichtung der ersten bzw. zweiten Rohrkörper gemessenen Rohrkörper-Breite. Die erlaubt die Realisierung der thermoelektrischen Vorrichtung in Flachbauweise.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 ein Beispiel einer thermoelektrischen Vorrichtung in einer perspektivischen Darstellung,
2, 3 die thermoelektrische Vorrichtung der 1 in Seitenansichten,
4 eine erste Weiterbildung des Beispiels der 1 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung,
5 die Weiterbildung der 4 in einer perspektivischen Ansicht,
6 eine zweite Weiterbildung des Beispiels der 1 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung,
7 die Weiterbildung der 6 in einer perspektivischen Ansicht,
8 eine dritte Weiterbildung des Beispiels der 1 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung,
9 die Weiterbildung der 8 in einer Seitenansicht,
10 eine vierte Weiterbildung des Beispiels der 1 in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S,
11 die Weiterbildung der 10 in einer perspektivischen Ansicht,
12, 13 zwei mögliche technische Realisierungsformen der ersten und zweiten Rohrkörper in einem Querschnitt,
1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung 1, die als thermoelektrischer Generator eingesetzt werden kann. Die thermoelektrische Vorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl entlang einer Stapelrichtung S aufeinander gestapelter thermoelektrischer Module 2, die jeweils mehrere thermoelektrische Elemente (in den Figuren nicht gezeigt) aufweisen. Aufbau und Anordnung der thermoelektrisch aktiven Elemente der einzelnen thermoelektrischen Module 2 sind dem Fachmann bekannt und nicht Kern der vorliegenden Erfindung, so dass auf eine detaillierte Erläuterung diesbezüglich verzichtet werden kann. Die 1 zeigt die thermoelektrische Vorrichtung 1 in einer perspektivischen Darstellung, die 2 und 3 in Seitenansichten.
Die thermoelektrische Vorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl von ersten Rohrkörpern 5, welche thermisch an die thermoelektrischen Module 2 gekoppelt sind und von einem ersten Fluid durchströmbar sind. Das erste Fluid wird in den Figuren durch Pfeile F₁ angedeutet. Die thermoelektrische Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Mehrzahl von zweiten Rohrkörpern 7, welche ebenfalls thermisch an die thermoelektrischen Module 2 gekoppelt sind und von einem zweiten Fluid durchströmbar sind. Das zweite Fluid wird in den Figuren durch Pfeile F₂ angedeutet. In der Stapelrichtung S ist zwischen zwei benachbarten thermoelektrischen Modulen 2 jeweils ein erster Rohrkörper 5 oder ein zweiter Rohrkörper 7 angeordnet. Dabei wechseln sich entlang der Stapelrichtung S jeweils ein erster Rohrkörper 5 und ein zweiter Rohrkörper 7 ab.
Die ersten und zweiten Rohrkörper 5, 7 sind jeweils längsförmig ausgebildet und erstrecken sich entlang einer ersten bzw. zweiten Längserstreckungsrichtung L₁, L₂. Unter „längsförmig“ ist im Kontext der hier beschriebenen Erfindung zu verstehen, dass eine entlang der Längserstreckungsrichtung L₁, L₂ gemessene Länge der ersten/zweiten Rohrkörper 5, 7 größer ist als eine quer zur Längserstreckungsrichtung L₁, L₂ gemessenen Breite.
Die ersten und zweiten Rohrkörper 5, 7 weisen jeweils eine Längsseite 9 und eine Querseite 10 auf. Durch die Längsseite 9 der ersten Rohrkörper 5 wird die erste Längserstreckungsrichtung L₁ festgelegt. Durch die Längsseiten 9 der zweiten Rohrkörper 7 wird die zweite Längserstreckungsrichtung L₂ festgelegt. Entsprechend ist durch die Lage der Querseiten 10 der ersten Rohrkörper 5 eine erste Quererstreckungsrichtung Q₁ definiert. Durch die Lage der Querseiten 10 der zweiten Rohrkörper 7 ist eine zweite Quererstreckungsrichtung Q₂ definiert. Die erste Längserstreckungsrichtung L₁ der ersten Rohrkörper 5 verläuft quer zur zweiten Längserstreckungsrichtung L₂ der zweiten Rohrkörper 7. Die ersten Rohrkörper 5 erstrecken sich in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S quer zu den zweiten Rohrkörpern 7. Die Längsseiten 9 der ersten Rohrkörper 5 erstrecken sich also quer zu den Längsseiten 9 der zweiten Rohrkörper 7. Sowohl die ersten als auch die zweiten Rohrkörper 5, 7 sind bevorzugt als Flachrohre ausgebildet. Eine entlang der Stapelrichtung S gemessene Rohrkörper-Höhe h₁, h₂ der ersten bzw. zweiten Rohrkörper 5, 7 beträgt daher höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel, einer entlang der ersten bzw. zweiten Quererstreckungsrichtung gemessenen Rohrkörper-Breite b₁, b₂.
Die thermoelektrischen Module 2 weisen jeweils eine Heißseite 3 auf, die thermisch mit den ersten Rohrkörpern 5 verbunden ist. Die thermoelektrischen Module 2 weisen ferner jeweils eine Kaltseite 4 auf, die thermisch mit den zweiten Rohr-körpern 7 verbunden ist. Auch eine umgekehrte Konfiguration ist möglich. Die Heißseiten 3 der thermoelektrischen Module 2 sind über die ersten Rohrkörper 5 thermisch an das erste Fluid F₁ koppelbar. Entsprechend sind die Kaltseiten 4 der thermoelektrischen Module 2 über die zweiten Rohrkörper 7 an das zweite Fluid F₂ koppelbar.
Wie die 1 und 2 erkennen lassen, sind entlang der ersten Längserstreckungsrichtung L₁ mehrere zweite Rohrkörper 7 benachbart und im Abstand zueinander angeordnet. Durch die erste und die zweite Längserstreckungsrichtung L₁, L₂ wird eine Rohrkörper-Ebene E definiert, die sich senkrecht zur Stapelrichtung S erstreckt und in welcher besagte zweite Rohrkörper 7 angeordnet sind. Im Beispiel der 2 sind exemplarisch zwei Rohrkörper-Ebenen E₁, E₂, dargestellt, die entlang der Stapelrichtung S im Abstand zueinander angeordnet sind. In jeder der zwei Rohrkörper-Ebenen E₁, E₂ sind jeweils vier zweite Rohrkörper 7 angeordnet. In Varianten des Beispiels kann sowohl die Anzahl an vorhandenen Rohrkörper-Ebenen E als auch die Anzahl an zweiten Rohrkörpern 7 pro Rohrkörper-Ebene E variieren.
Die 4 zeigt die thermoelektrische Vorrichtung 1 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung S. Man erkennt, dass die ersten Rohrkörper 5 endseitig, und zwar an einem ersten Längsende 12a, in einen gemeinsamen ersten Fluidverteiler 11a münden. Der erste Fluidverteiler 11a dient zum Verteilen des ersten Fluids F₁ auf die ersten Rohrkörper 5. An einem zweiten Längsende 12b, welches dem ersten Längsende 11a gegenüberliegt, münden die ersten Rohrkörper 5 in einen gemeinsamen ersten Fluidsammler 13a. Der erste Fluidsammler 13a dient zum Sammeln des ersten Fluids F₁ nach dem Durchströmen der ersten Rohrkörper 5. Der erste Fluidverteiler 11a und der erste Fluidsammler 13a liegen einander in dem in 4 gezeigten Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S also gegenüber. In analoger Weise zu den ersten Rohrkörpern 5 münden die zweiten Rohrkörper 7 endseitig, und zwar an einem ersten Längsende 14a, in einen gemeinsamen zweiten Fluidverteiler 11b. Der zweite Fluidverteiler 11b dient zum Verteilen des zweiten Fluids F₂ auf die zweiten Rohrkörper 7. An einem zweiten Längsende 14b, welches dem ersten Längsende 14a gegenüberliegt, münden die zweiten Rohrkörper 7 in einen gemeinsamen zweiten Fluidsammler 13b. Der zweite Fluidsammler 13b dient zum Sammeln des zweiten Fluids F₂ nach dem Durchströmen der zweiten Rohrkörper 7. Auch der zweite Fluidverteiler 13a und der zweite Fluidsammler 13b liegen einander in dem in 4 gezeigten Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S gegenüber. Wie die Darstellung der 4 anschaulich belegt, sind die beiden Fluidverteiler 11a, 11b in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S um 90° versetzt zueinander angeordnet. Ebenso sind in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S die beiden Fluidsammler 13a, 13b um 90° versetzt zueinander angeordnet. Zur Verdeutlichung zeigt die 5 den Aufbau der 4 in einer perspektivischen Darstellung. Die beiden Fluidverteiler 11a, 11b und die beiden Fluidsammler 13a, 13b sind demnach haubenartig oder domartig mit jeweils einer runden Durchgangsöffnung 19 zum Durchströmen mit dem ersten bzw. zweiten Fluid F₁, F₂ ausgebildet. Der erste Fluidverteiler 11a und der erste Fluidsammler 13a können als Gleichteile ausgebildet sein. Ebenso können der zweite Fluidverteiler 11b und der zweite Fluidsammler 13b als Gleichteile ausgebildet sein.
Die 6 und 7 zeigen eine Variante des Beispiels der 1 bis 5. Die 6 zeigt die thermoelektrische Vorrichtung 1 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung S, die 7 in einer perspektivischen Darstellung. Man erkennt, dass die ersten Rohrkörper 5 an ihren beiden Längsenden 12a, 12b jeweils mittels eines gemeinsamen ersten Bodens 15a, 15b miteinander verbunden sind. Die beiden ersten Böden 15a, 15b liegen einander in der ersten Längserstreckungsrichtung L₁ gegenüber. In analoger Weise sind die zweiten Rohrkörper 7 an ihren beiden Längsenden 14a, 14b jeweils mittels eines gemeinsamen zweiten Bodens 16a, 16b miteinander verbunden. Die beiden ersten Böden 15a, 15b liegen einander in der ersten Längserstreckungsrichtung L₁ gegenüber. Die beiden zweiten Böden 16a, 16b liegen einander in der zweiten Längserstreckungsrichtung L₂ gegenüber.
In den beiden ersten Böden 15a, 15b ist für jeden vorhandenen ersten Rohrkörper 5 jeweils ein erster Durchbruch 17 vorgesehen, in welcher der jeweilige erste Rohrkörper 5 mit seinem ersten bzw. zweiten Längsende 12a, 12b mündet. Entsprechend ist in den beiden zweiten Böden 16a, 16b für jeden zweiten Rohrkörper 7 jeweils ein zweiter Durchbruch 18 vorgesehen, in welcher der jeweilige zweite Rohrkörper 7 mit seinem ersten bzw. zweiten Längsende 14a, 14b mündet.
Die 8 und 9 zeigen eine weitere Variante der thermoelektrischen Vorrichtung 1. Die 8 zeigt die thermoelektrische Vorrichtung 1 in einer Draufsicht entlang der Stapelrichtung S, die 9 in einer Seitenansicht. Der 9 entnimmt man, dass die thermoelektrische Vorrichtung 1 entlang der Stapelrichtung von einer ersten und einer zweiten Deckplatte 20a, 20b begrenzt ist. Die beiden Deckplatten sind mittels Gewindestangen 21, die sich entlang der Stapelrichtung S erstrecken, aneinander fixiert. Zwischen der ersten Deckplatte 20a und dem der ersten Deckplatte 20a in Stapelrichtung S benachbarten ersten Rohrkörper 5 – dieser ist in den 8 und 9 zusätzlich mit dem Bezugszeichen 5* bezeichnet – ist eine Vorspanneinrichtung 22 vorgesehen, welche die aufeinandergestapelten ersten und zweiten Rohrkörper 5, 7 und die zwischen den Rohrkörpern 5, 7 angeordneten thermoelektrischen Module 2 zur zweiten Deckplatte 20b hin vorspannt. Hierzu kann die Vorspanneinrichtung 22 mehrere federelastische Elemente 23 aufweisen. Auf diese Weise werden die thermoelektrischen Module 2 wirksam mit den Rohrkörpern 5, 7 verpresst, so dass eine gute thermische Verbindung sichergestellt ist. Es ist klar, dass die Vorspanneinrichtung 22 auch zwischen der zweiten Deckplatte 20b und dem der zweiten Deckplatte 20b benachbarten ersten Rohrkörper 5 oder an anderer geeigneter Stelle angeordnet sein kann.
Die 10 und 11 zeigen eine Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung 1. Die 10 zeigt die thermoelektrische Vorrichtung 1 in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung S, die 11 in einer perspektivischen Ansicht. Man erkennt, dass die thermoelektrische Vorrichtung 1 einschließlich der beiden Fluidverteiler 11a, 11b und der beiden Fluidsammler 13a, 13b in einem Gehäuse 24 angeordnet sein kann. Das Gehäuse 24 begrenzt einen Gehäuseinnenraum 25, welcher über einen am Gehäuse 24 vorgesehenen Befüll-Stutzen mit einem Inertgas befüllt werden kann. Mittels eines solchen Inertgases können die verschiedenen, in der thermoelektrischen Vorrichtung 1 verwendeten Materialien, insbesondere bei Wärmeentwicklung im Betrieb der thermoelektrische Vorrichtung 1, gegen unerwünschte Oxidation geschützt werden.
Die 12 zeigt eine Weiterbildung eines ersten bzw. zweiten Rohrkörpers 5, 7 in einem Querschnitt senkrecht zur ersten bzw. zweiten Längsrichtung L₁, L₂. Man erkennt, dass der Rohrkörper 5, 7 als zweiteiliges Flachrohr 29 mit einem ersten und einem zweiten Teil 27a, 27b ausgebildet sein kann. Jeder Rohrkörper 5, 7 umfasst zwei Breitseiten 27a, 27b und zwei Schmalseiten 28a, 28b. Das Flachrohr 29 umfasst ein erstes Rohrteil 30a und ein zweites Rohrteil 30b. Das erste Rohrteil 30a bildet die Breitseite 27a und beide Schmalseiten 28a, 28b aus. Hierzu umfasst das erste Rohrteil 30a eine die Breitseite 27a bildende Breitseiten-Gehäusewand 31a und zwei zum Rohrteil 30b hin abstehende Schmalseiten-Gehäusewände 32a, 32b. Das zweite Rohrteil 30b umfasst eine Breitseiten-Gehäusewand 31b.
Von den beiden Breitseiten-Gehäusewänden 31a, 31b stehen jeweils mehrere rippenartig ausgebildete Fortsätze 33a, 33b ab, die sich im Wesentlichen parallel zu den Schmalseiten-Gehäusewänden 32a, 32b erstrecken. Die beiden Rohrteile 30a, 30b begrenzen einen Innenraum 36, der von den Fortsätzen 33a, 33b in mehrere Fluidkanäle 37 unterteilt wird. Die beiden Rohrteile 30a, 30b sind über die Schmalseiten-Gehäusewände 32a, 32b und die Fortsätze 33a, 33b, vorzugsweise mittels einer Lötverbindung, miteinander verbunden.
Die 13 zeigt eine Variante des ersten bzw. zweiten Rohrkörpers der 12. Im Beispiel der 13 sind der erste bzw. zweite Rohrkörper 5, 7 ebenfalls als zweiteiliges Flachrohr 29 mit zwei Rohrteilen 30a, 30b ausgebildet. Dabei bildet das erste Rohrteil eine Außenstruktur 34, deren zwei Breitseiten 27a, 27b und zwei Schmalseiten 28a, 28b einen Innenraum 36 begrenzen. Im Innenraum 36 ist eine wellenförmig ausgebildete Innenstruktur 35 angeordnet, welche den Innenraum 36 in mehrere Fluidkanäle 37 unterteilt. Die Innenstruktur 35 stützt sich wie in 13 illustriert der Außenstruktur 34 ab.
Für alle vorangehen erläuterten Beispiele gilt, dass die thermoelektrischen Module 2 mit den ersten bzw. zweiten Rohrkörpern 5, 7 mittels einer Pressverbindung verbunden sein können. Die ersten und zweiten Rohrkörper 5, 7 können mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels einer Lötverbindung, mit den beiden Fluidverteilern 11a, 11b sowie mit den beiden Fluidsammlern 11a, 13a verbunden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1539322 A [0004]

Claims

Thermoelektrische Vorrichtung (1), insbesondere thermoelektrischer Generator, – mit einer Mehrzahl entlang einer Stapelrichtung (S) aufeinandergestapelter thermoelektrischer Module (2), die jeweils mehrere thermoelektrische Elemente aufweisen, – mit einer Mehrzahl von ersten Rohrkörpern (5), welche thermisch an die thermoelektrischen Module (2) gekoppelt sind und von einem ersten Fluid (F₁) durchströmbar sind, – mit einer Mehrzahl von zweiten Rohrkörpern (7), welche thermisch an die thermoelektrischen Module (2) gekoppelt sind und von einem zweiten Fluid (F₂) durchströmbar sind, – wobei die ersten Rohrkörper (5) sich in einem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) quer zu den zweiten Rohrkörpern (7) erstrecken.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und zweiten Rohrkörper (5, 7) längsförmig ausgebildet sind, wobei sich eine Längserstreckungsrichtung (L₁) der ersten Rohrkörper (5) quer zu einer Längserstreckungsrichtung (L₂) der zweiten Rohrkörper (7) erstreckt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der ersten Längserstreckungsrichtung (L₁) wenigstens zwei zweite Rohrkörper (7), vorzugsweise eine Mehrzahl von zweiten Rohrkörpern (7), benachbart zueinander angeordnet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die erste und die zweite Längserstreckungsrichtung (L₁, L₂) eine Rohrkörper-Ebene (E, E₁, E₂) definiert ist, die sich senkrecht zur Stapelrichtung (S) erstreckt und in welcher die wenigstens zwei zweiten Rohrkörper (7) angeordnet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Stapelrichtung (S) im Abstand zueinander wenigstens zwei Rohrkörper-Ebenen (E₁, E₂) mit jeweils wenigstens zwei zweiten Rohrkörpern (7) angeordnet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Module (2) jeweils eine Heißseite (3) aufweisen, die thermisch mit wenigstens einem ersten Rohrkörper (5) verbunden ist, und eine Kaltseite (4) aufweisen, die thermisch mit wenigstens einem zweiten Rohrkörper (7) verbunden ist, oder umgekehrt.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stapelrichtung (S) zwischen zwei benachbarten thermoelektrischen Modulen (2) jeweils ein erster Rohrkörper (5) oder ein zweiter Rohrkörper (7) angeordnet ist, wobei sich entlang der Stapelrichtung (S) jeweils ein erster Rohrkörper (5) und ein zweiter Rohrkörper (7) abwechseln.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Rohrkörper (5) endseitig in einen gemeinsamen ersten Fluidverteiler (11a) zum Verteilen des ersten Fluids (F₁) auf die ersten Rohrkörper (5) und in einen gemeinsamen ersten Fluidsammler (13a) zum Sammeln des ersten Fluids (F₁) nach dem Durchströmen der ersten Rohrkörper (5) münden, wobei der erste Fluidverteiler (11a) und der erste Fluidsammler (13a) vorzugsweise in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) einander gegenüberliegen.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Rohrkörper (7) endseitig in einen gemeinsamen zweiten Fluidverteiler (11b) zum Verteilen des zweiten Fluids (F₂) auf die zweiten Rohrkörper (7) und in einen gemeinsamen zweiten Fluidsammler (13b) zum Sammeln des zweiten Fluids (F₂) nach dem Durchströmen der zweiten Rohrkörper (7) münden, wobei der zweite Fluidverteiler (11b) und der zweite Fluidsammler (13b) vorzugsweise in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) einander gegenüberliegen.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – die beiden Fluidverteiler (11a, 11b) in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) im Wesentlichen um 90° versetzt zueinander angeordnet sind, und/oder dass – die beiden Fluidsammler (13a, 13b) in dem Querschnitt senkrecht zur Stapelrichtung (S) im Wesentlichen um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Fluidverteiler (11a) und der erste Fluidsammler (13a) als Gleichteile ausgebildet sind, und/oder dass der zweite Fluidverteiler (11b) und der zweite Fluidsammler (13b) als Gleichteile ausgebildet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Fluidverteiler (11a, 11b) und/oder wenigstens ein Fluidsammler (13a, 13b) haubenartig oder domartig mit jeweils einer runden Durchgangsöffnung (19) zum Durchströmen mit dem ersten oder zweiten Fluid (F₁, F₂) ausgebildet sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei erste Rohrkörper (5), vorzugsweise alle ersten Rohrkörper (5), an wenigstens einem ihrer beiden Längsenden (12a, 12b) mittels eines gemeinsamen ersten Bodens (15a, 15b) miteinander verbunden sind, und/oder dass wenigstens zwei zweite Rohrkörper (7), vorzugsweise alle zweiten Rohrkörper (7), an wenigstens einem ihrer beiden Längsenden (12a, 12b) mittels eines gemeinsamen zweiten Bodens (16a, 16b) miteinander verbunden sind.
Thermoelektrische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – in dem wenigstens einen ersten Boden (15a, 15b) für die ersten Rohrkörper (5) jeweils ein erster Durchbruch (17) vorgesehen ist, in welchen ein jeweiliger erste Rohrkörper (5) mündet, und/oder dass – in dem wenigstens einen zweiten Boden (16a, 16b) für jeden zweiten Rohrkörper jeweils ein zweiter Durchbruch (18) vorgesehen ist, in welchen ein jeweiliger zweiter Rohrkörper (7) mündet.
Thermoelektrische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Rohrkörper (5, 7) als Flachrohre ausgebildet sind, deren entlang der Stapelrichtung (S) gemessene Rohrkörper-Höhe (h₁, h₂) höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel, einer entlang einer ersten bzw. zweiten Quererstreckungsrichtung (Q₁, Q₂) der ersten bzw. zweiten Rohrkörper (5, 7) gemessenen Rohrkörper-Breite (b₁, b₂) beträgt.