DE102020110193A1 - Thermoelektrische Generatorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung - Google Patents

Thermoelektrische Generatorvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung Download PDF

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Abstract

Es wird eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine erste Wärmeübertragungseinrichtung (12), eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung (14) und eine thermoelektrische Moduleinrichtung (20), wobei die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) mindestens ein erstes Wärmeübertragungselement (16) aufweist, wobei dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) ein zweites Wärmeübertragungselement (18) der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (14) zugeordnet ist, wobei das zweite Wärmeübertragungselement (18) zumindest abschnittsweise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements (16) angeordnet ist und wobei zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) und dem zweiten Wärmeübertragungselement (18) eine thermoelektrische Einheit (22) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) angeordnet ist, wobei das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement (16) und/oder das zweite Wärmeübertragungselement (18) zumindest abschnittsweise als geometrisches Prisma ausgebildet sind und wobei eine Grundfläche des Prismas als Polygon mit einer Kantenlänge (L1; L2) von höchstens 70 mm ausgebildet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine erste Wärmeübertragungseinrichtung, eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung und eine thermoelektrische Moduleinrichtung, wobei die erste Wärmeübertragungseinrichtung mindestens ein erstes Wärmeübertragungselement aufweist, wobei dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement ein zweites Wärmeübertragungselement der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung zugeordnet ist, wobei das zweite Wärmeübertragungselement zumindest abschnittsweise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements angeordnet ist und wobei zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement und dem zweiten Wärmeübertragungselement eine thermoelektrische Einheit der thermoelektrischen Moduleinrichtung angeordnet ist.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung.
  • Aus der DE 10 2011 114 102 B4 ist eine thermoelektrische Vorrichtung bekannt, die zur Anordnung in einem Abgassystem zur zeitweiligen Aufnahme und Entladung eines heißen strömenden Abgasstroms von einem Verbrennungsmotor zum Vortrieb eines Kraftfahrzeugs angepasst und geformt ist.
  • Aus der DE 10 2012 113 229 A1 ist ein thermoelektrischer Generator für ein Fahrzeug bekannt, welcher an einem Abgasrohr montiert ist, durch welches ein Abgas strömt, und eine Elektrizität unter Verwendung eines Temperaturunterschieds zwischen dem Abgas und einem Kühlmittel produziert.
  • Aus der EP 3 020 077 B1 ist ein thermoelektrischer Generator zur Verwendung mit einer Abwärmequelle bekannt.
  • Aus der EP 2 854 190 B1 ist eine Vorrichtung zum Erzeugen elektrischer Energie bekannt, die mindestens einen ersten thermoelektrischen Generator umfasst, der zwischen einer Oberfläche, die Wärmeexposition unterliegt, und einem Behälter, der ein Phasenwechselmaterial enthält, eingerichtet ist, wobei der Behälter von mindestens einem wärmeleitenden Element umgeben ist.
  • Aus der DE 10 2009 058 676 A1 ist ein Wärmetauscher zum Austausch von Wärme zwischen zwei Medien in einem Fahrzeug bekannt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte thermoelektrische Generatorvorrichtung bereitzustellen, welche eine erhöhte Leistungsdichte aufweist.
  • Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten thermoelektrischen Generatorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement zumindest abschnittsweise als geometrisches Prisma ausgebildet sind, wobei eine Grundfläche des Prismas als Polygon mit einer Kantenlänge von höchstens 70 mm ausgebildet ist.
  • Durch die polygonale Ausbildung des ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements mit einer Kantenlänge von höchstens 70 mm lässt sich eine erhöhte Anzahl von ersten Wärmeübertragungselementen und/oder zweiten Wärmeübertragungselementen auf einer bestimmten Querschnittsfläche realisieren. Es lässt sich dadurch eine für die thermoelektrische Moduleinrichtung nutzbare Fläche bei zugleich kompakterer Bauweise der thermoelektrischen Generatorvorrichtung erhöhen. Insbesondere lassen sich dadurch die erste Wärmeübertragungseinrichtung und/oder die zweite Wärmeübertragungseinrichtung bei einer erhöhten Wärmeübertragungsfläche kompakt ausführen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement jeweils ein einziges zweites Wärmeübertragungselement zugeordnet ist und/oder dass innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements jeweils ein einziges zweites Wärmeübertragungselement angeordnet ist.
  • Beispielsweise sind Kombinationen aus dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement, dem zweiten Wärmeübertragungselement und der zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement und dem zweiten Wärmeübertragungselement angeordneten thermoelektrischen Einheit gebildet. Es lässt sich dadurch die thermoelektrische Generatorvorrichtung modular und/oder mit einer hohen Anzahl an Gleichteilen ausführen.
  • Beispielsweise sind das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement in einem Querschnitt als Polygon ausgebildet.
  • Beispielsweise ist eine Querschnittsebene des Querschnitts parallel zu der Grundfläche des geometrischen Prismas orientiert.
  • Beispielsweise sind eine Querschnittsebene des Querschnitts und/oder die Grundfläche des geometrischen Prismas zumindest näherungsweise parallel zu einer Hauptrichtung eines Wärmestroms zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement und dem zweiten Wärmeübertragungselement im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung orientiert.
  • Beispielsweise sind die Querschnittsebene und/oder die Grundfläche des geometrischen Prismas quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung und/oder durch das zweite Wärmeübertragungselement geführten Mediumstroms orientiert.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass sich das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement zumindest näherungsweise parallel zu einer Längsmittelachse erstrecken. Beispielsweise ist diese Längsmittelachse eine gemeinsame Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und des zweiten Wärmeübertragungselements.
  • Beispielsweise sind die Querschnittsebene des Querschnitts, in welchem das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement als Polygon ausgebildet sind, quer und insbesondere senkrecht zu der Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements orientiert. Beispielsweise ist die Grundfläche des geometrischen Prismas quer und insbesondere senkrecht zu der Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements orientiert.
  • Beispielsweise sind das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement und/oder die thermoelektrische Einheit zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements angeordnet oder ausgebildet.
  • Die thermoelektrische Einheit weist beispielsweise ein oder mehrere thermoelektrische Elemente auf (z.B. sechs thermoelektrische Elemente), welche jeweils zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement und dem zweiten Wärmeübertragungselement angeordnet sind. Beispielsweise entspricht eine Anzahl von thermoelektrischen Elementen der thermoelektrischen Einheit einer Anzahl von Kanten- und/oder Eckbereichen des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement von einem durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom umströmbar ist oder umströmt wird. Beispielsweise ist eine Vielzahl von ersten Wärmeübertragungselementen einem gemeinsamen Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung zugeordnet.
  • Darunter, dass das zweite Wärmeübertragungselement zumindest abschnittsweise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements angeordnet ist, ist insbesondere zu verstehen, dass das zweite Wärmeübertragungselement in zwei von drei Raumrichtungen von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement umgeben und/oder umschlossen wird. Beispielsweise wird das zweite Wärmeübertragungselement in einer zu einer Längsmittelachse des zweiten Wärmeübertragungselements quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement umgeben und/oder umschlossen.
  • Beispielsweise erstreckt sich das zweite Wärmeübertragungselement über eine Länge von mindestens 80% und insbesondere mindestens 90% des zweiten Wärmeübertragungselements durch das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement.
  • Unter der Grundfläche des geometrischen Prismas, als welches das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement zumindest abschnittsweise ausgebildet ist, ist eine geometrische Grundfläche des Prismas zu verstehen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Haupt-Strömungsrichtung eines durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms orientiert ist. Dadurch sind die erste Wärmeübertragungseinrichtung und die zweite Wärmeübertragungseinrichtung beispielsweise als Kreuzstrom-Wärmeübertragungseinrichtung ausgeführt.
  • Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass eine Haupt-Strömungsrichtung eines durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms zumindest näherungsweise parallel zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms ist.
  • Günstig kann es sein, wenn das Polygon ein Hexagon ist. Durch die zumindest abschnittsweise Ausbildung des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements als geometrisches Prisma mit hexagonaler Grundfläche lassen sich mehrere erste Wärmeübertragungselemente benachbart zueinander mit einer besonders hohen Flächendichte anordnen.
  • Durch die Ausbildung des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements zumindest abschnittsweise als polygonales und insbesondere hexagonales geometrisches Prisma skaliert eine für die Wärmeübertragung nutzbare Fläche des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements mit der Wurzel aus der Anzahl der insgesamt vorhandenen ersten Wärmeübertragungselemente und/oder zweiten Wärmeübertragungselemente, was beispielsweise aus durchgeführten Simulationen hervorgeht.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn das Prisma zumindest abschnittsweise ein gerades Prisma ist und/oder wenn die Grundfläche des Prismas ein regelmäßiges Polygon ist. Dadurch wird eine symmetrische und technisch einfache Ausbildung des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements und/oder der thermoelektrischen Einheit realisiert.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn eine Kantenlänge des Polygons mindestens 15 mm und/oder höchstens 50 mm beträgt. Es lässt sich dadurch eine zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche für die thermoelektrische Moduleinrichtung bei zugleich kompakter Bauweise der thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiter erhöhen.
  • Günstig kann es sein, wenn eine Mehrzahl von ersten Wärmeübertragungselementen vorgesehen ist, wobei innerhalb der ersten Wärmeübertragungselemente jeweils ein zweites Wärmeübertragungselement angeordnet ist. Die erste Wärmeübertragungseinrichtung weist dadurch eine Mehrzahl von ersten Wärmeübertragungselementen auf und die zweite Wärmeübertragungseinrichtung weist dadurch eine Mehrzahl von zweiten Wärmeübertragungselementen auf. Dadurch sind eine Vielzahl von Strömungspfaden für einen durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung bzw. die zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom realisiert.
  • Insbesondere ist innerhalb der ersten Wärmeübertragungselemente jeweils eine thermoelektrische Einheit angeordnet.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements jeweils ein einziges zweites Wärmeübertragungselement und/oder jeweils eine einzige thermoelektrische Einheit angeordnet ist.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn voneinander verschiedene erste Wärmeübertragungselemente jeweils zueinander benachbart angeordnet sind, wobei jeweilige Längsmittelachsen der einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselemente zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind und/oder wobei jeweilige Wandungselemente der einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselemente zumindest näherungsweise parallel orientiert sind. Es lässt sich dadurch die thermoelektrische Generatorvorrichtung symmetrisch und kompakt ausführen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass einander benachbarte Kantenbereiche und/oder Wandungselemente von einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass jeweilige Mittelpunkte einander benachbarter erster Wärmeübertragungselemente auf Eckpunkten eines Polygons und insbesondere eines Hexagons liegen.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn ein kürzester Abstand zwischen einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen mindestens 1 mm und/oder höchstens 10 mm beträgt. Dadurch lässt sich eine hohe Flächendichte von ersten Wärmeübertragungselementen realisieren.
  • Beispielsweise beträgt ein kürzester Abstand zwischen einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen ca. 5 mm.
  • Unter einem kürzesten Abstand zwischen einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen ist insbesondere ein kürzester Abstand zwischen zueinander gegenüberliegenden Wandungselementen von zueinander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen zu verstehen.
  • Günstig kann es sein, wenn die erste Wärmeübertragungseinrichtung eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung mit einem Kaltmediumstrom ist und/oder wenn die zweite Wärmeübertragungseinrichtung eine Heißwärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung mit einem Heißmediumstrom ist. Beispielsweise ist der Heißmediumstrom ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors und der Kaltmediumstrom ein Kühlwasserstrom.
  • Beispielsweise ist das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement dann ein Kaltwärmeübertragungselement und das zweite Wärmeübertragungselement dann ein Heißwärmeübertragungselement.
  • Unter einem Kaltmediumstrom und einem Heißmediumstrom sind jeweils Medienströme zu verstehen, zwischen welchen eine Temperaturdifferenz vorherrscht. Der Kaltmediumstrom weist eine geringere Temperatur auf als der Heißmediumstrom.
  • Die eingangs genannte Aufgabe wird bei der eingangs genannten thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiterhin erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Wärmeübertragungseinrichtung einen Strömungsraum zur Durchströmung der ersten Wärmeübertragungseinrichtung mit einem Mediumstrom aufweist und dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement von einem durch den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom umströmbar ist oder umströmt wird. Es lässt sich dadurch auf technisch einfache Weise ein thermischer Kontakt zwischen einem durch den Strömungsraum geführten Mediumstrom und dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement herstellen. Beispielsweise lässt sich dadurch ein gemeinsamer Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung mehreren ersten Wärmeübertragungselementen zuordnen.
  • Insbesondere weist diese weitere Ausführungsform der thermoelektrischen Generatorvorrichtung ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der erstbeschriebenen Ausführungsform der thermoelektrischen Generatorvorrichtung auf.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms orientiert ist.
  • Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass die Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements parallel zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms orientiert ist.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Haupt-Strömungsrichtung eines durch den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung und/oder durch das zweite Wärmeübertragungselement geführten Mediumstroms orientiert ist.
  • Alternativ hierzu ist es auch möglich, dass eine Haupt-Strömungsrichtung eines durch den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms zumindest näherungsweise parallel zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung und/oder durch das zweite Wärmeübertragungselement geführten Mediumstroms orientiert ist.
  • Günstig kann es sein, wenn mehrere erste Wärmeübertragungselemente dem Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung zugeordnet sind und/oder wenn mehrere erste Wärmeübertragungselemente von einem durch den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom umströmbar sind oder umströmt werden. Der Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung wird dadurch zum Wärmeaustausch zwischen dem Mediumstrom und mehreren ersten Wärmeübertragungselementen genutzt. Dadurch ist es insbesondere nicht notwendig, für jedes erste Wärmeübertragungselement einen separaten Strömungsraum und/oder Kanal bereitzustellen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement in dem Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist und/oder den Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung begrenzt.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn der Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung räumlich zusammenhängend ausgebildet ist. Beispielsweise ist der Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung als ein räumlich zusammenhängender Raum oder als ein räumlich zusammenhängender Bereich ausgebildet. Dadurch lässt sich ein gemeinsamer Strömungsraum für eine Mehrzahl von ersten Wärmeübertragungselementen auf technisch einfache Weise bereitstellen.
  • Unter einem räumlich zusammenhängenden Raum ist beispielsweise ein Raum zu verstehen, in welchem sich zwei innerhalb des Raums liegende Punkte stets durch einen vollständig in diesem Raum liegenden Streckenzug verbinden lassen.
  • Günstig kann es sein, wenn ein von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement begrenzter Innenraum gegenüber dem Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung fluiddicht abgedichtet ist. Es lassen sich dadurch die thermoelektrische Einheit und/oder das zweite Wärmeübertragungselement innerhalb des Innenraums des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements anordnen.
  • Insbesondere ist der Strömungsraum an einer dem Innenraum des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements abgewandten Seite des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements angeordnet oder ausgebildet.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die erste Wärmeübertragungseinrichtung ein Wärmeübertragungsgehäuse aufweist, wobei in einem Innenraum des Wärmeübertragungsgehäuses der Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung gebildet ist. Das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement ist dann beispielsweise an dem Wärmeübertragungsgehäuse angeordnet.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Innenraum von dem Wärmeübertragungsgehäuse begrenzt wird und/oder dass der Innenraum ein von dem Wärmeübertragungsgehäuse begrenzter Raum ist.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsgehäuse eine Eingangseinrichtung zur Einkopplung eines Mediumstroms aufweist und/oder eine Ausgangseinrichtung zur Auskopplung eines Mediumstroms aufweist. Mittels der Eingangseinrichtung und der Ausgangseinrichtung lässt sich eine Einkopplung bzw. Auskopplung von Fluid zu/von dem Innenraum und/oder Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung realisieren.
  • Beispielsweise ist die Eingangseinrichtung an einem ersten Ende des Wärmeübertragungsgehäuses angeordnet und die Ausgangseinrichtung an einem zweiten Ende des Wärmeübertragungsgehäuses angeordnet, wobei das erste Ende und das zweite Ende insbesondere in Richtung einer Längsmittelachse des Wärmeübertragungsgehäuses zueinander beabstandet sind.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsgehäuse der ersten Wärmeübertragungseinrichtung ein erstes Wandungselement und ein zu dem ersten Wandungselement beabstandetes zweites Wandungselement aufweist, wobei eine Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements quer und insbesondere senkrecht zu dem ersten Wandungselement und dem zweiten Wandungselement orientiert ist.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement mit dem ersten Wandungselement und dem zweiten Wandungselement des Wärmeübertragungsgehäuses mechanisch verbunden sind.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement mittels einer Dichtungseinrichtung gegenüber des ersten Wandungselements und des zweiten Wandungselements fluiddicht abgedichtet ist.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das erste Wandungselement und/oder das zweite Wandungselement des Wärmeübertragungsgehäuses eben ausgebildet sind.
  • Beispielsweise sind das erste Wandungselement und das zweite Wandungselement zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert.
  • Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Wärmeübertragungsgehäuse der ersten Wärmeübertragungseinrichtung zumindest teilweise durch eine Spanneinrichtung gebildet ist, innerhalb welcher ein oder mehrere erste Wärmeübertragungselemente eingespannt angeordnet sind.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement in dem Innenraum des Wärmeübertragungsgehäuses angeordnet ist und/oder sich durch den Innenraum des Wärmeübertragungsgehäuses erstreckt. Dadurch ist das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement von einem durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom umströmbar.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement an den Innenraum des Wärmeübertragungsgehäuses grenzt und/oder den Innenraum des Wärmeübertragungsgehäuses begrenzt.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn in dem Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung und/oder in einem Innenraum eines Wärmeübertragungsgehäuses der ersten Wärmeübertragungseinrichtung, in welchem der Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung gebildet ist, eine Leiteinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung eines Strömungspfads eines durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstroms angeordnet ist. Es lässt sich dadurch ein thermischer Kontakt zwischen dem Mediumstrom und dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement opti mieren.
  • Beispielsweise umfasst die Leiteinrichtung ein oder mehrere Leitelemente und/oder Leitbleche.
  • Beispielsweise ist die Leiteinrichtung an dem Wärmeübertragungsgehäuse und/oder an Wandungselementen des Wärmeübertragungsgehäuses der ersten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet oder ausgebildet.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Leiteinrichtung derart angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass der Mediumstrom auf das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement geleitet und/oder gelenkt wird, und/oder dass der Mediumstrom in zwischen ersten Wärmeübertragungselementen gebildete Zwischenräume geleitet oder gelenkt wird.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn das zweite Wärmeübertragungselement und/oder die thermoelektrische Einheit innerhalb eines von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement begrenzten Innenraums angeordnet sind. Das zweite Wärmeübertragungselement und/oder die thermoelektrische Einheit lassen sich dadurch beispielsweise auf technisch einfache Weise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements anordnen und insbesondere eingespannt anordnen.
  • Beispielsweise wird der Innenraum des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement in einer zu einer Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene umgeben und/oder umschlossen und/oder begrenzt. Beispielsweise wird der Innenraum des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement in zwei von drei Raumrichtungen begrenzt und/oder umgeben und/oder umschlossen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass in einem von dem zweiten Wärmeübertragungselement begrenzten Innenraum ein Strömungsraum für einen durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom gebildet ist. Falls mehrere zweite Wärmeübertragungselemente vorhanden sind, sind dadurch beispielsweise mehrere voneinander verschiedene Strömungsräume für die zweite Wärmeübertragungseinrichtung innerhalb der zweiten Wärmeübertragungselemente bereitgestellt. Diese voneinander verschiedenen Strömungsräume der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung sind dann insbesondere nicht räumlich zusammenhängend ausgebildet.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn in einem Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung der ersten Wärmeübertragungseinrichtung mit einem Mediumstrom eine Oberflächenvergrößerungsstruktur angeordnet ist und/oder wenn in einem Strömungsraum der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung mit einem weiteren Mediumstrom eine Oberflächenvergrößerungsstruktur angeordnet ist. Es lässt sich dadurch eine vergrößerte Oberfläche zur Herstellung eines thermischen Kontakts mit einem durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung bzw. die zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführten Mediumstrom realisieren.
  • Beispielsweise umgibt die Oberflächenvergrößerungsstruktur das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder die Oberflächenvergrößerungsstruktur kontaktiert das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement thermisch und/oder mechanisch.
  • Beispielsweise ist die Oberflächenvergrößerungsstruktur innerhalb des zweiten Wärmeübertragungselements angeordnet und/oder die Oberflächenvergrößerungsstruktur kontaktiert das zweite Wärmeübertragungselement thermisch und/oder mechanisch.
  • Die Oberflächenvergrößerungsstruktur ist oder umfasst beispielsweise eine Rippenstruktur und/oder eine Wabenstruktur und/oder eine Drahtstruktur.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die Oberflächenvergrößerungsstruktur ein poröses Medium und insbesondere ein metallisches poröses Medium umfasst. Es lässt sich dadurch eine besonders große thermische Kontaktfläche bereitstellen.
  • Beispielsweise umfasst die Oberflächenvergrößerungsstruktur einen offenporigen Schaum und/oder offenporigen Metallschaum.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Porosität des porösen Mediums mindestens 5 und/oder höchstens 40 ppi (pores per inch) beträgt.
  • Die Porosität ist hierbei über ein Volumen des porösen Materials im Verhältnis zu einem Gesamtvolumen definiert.
  • Beispielsweise beträgt ein Zellendurchmesser von Poren des porösen Mediums mindestens 2 mm und/oder höchstens 4 mm.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Einheit zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement und dem zweiten Wärmeübertragungselement eingespannt angeordnet ist oder wird.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement elastische Kantenbereiche und/oder Eckbereiche aufweist. Es lassen sich dadurch die thermoelektrische Einheit und/oder das zweite Wärmeübertragungselement durch zusammenziehen der elastischen Kantenbereiche und/oder Eckbereiche innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements einspannen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von ersten Wärmeübertragungselementen mittels einer Spanneinrichtung gegeneinander eingespannt angeordnet sind. Beispielsweise sind die ersten Wärmeübertragungselemente innerhalb eines von der Spanneinrichtung begrenzten Innenraums angeordnet.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn der ersten Wärmeübertragungseinrichtung und/oder der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung eine Umgehungseinrichtung für Fluid zugeordnet ist, mittels welcher sich ein durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung und/oder durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführter Mediumstrom zumindest teilweise an der thermoelektrischen Moduleinrichtung vorbeileiten lässt. Dadurch lässt sich beispielsweise im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eine Überhitzung der thermoelektrischen Moduleinrichtung verhindern.
  • Unter einem Vorbeileiten des Mediumstroms ist insbesondere eine Führung des Mediumstroms durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung bzw. die zweite Wärmeübertragungseinrichtung unter reduziertem Wärmekontakt oder ohne Wärmekontakt mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung zu verstehen.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Umgehungseinrichtung ein oder mehrere Umgehungselemente aufweist. Ein Umgehungselement weist insbesondere einen Strömungsraum für Fluid auf, welcher beispielsweise öffenbar und/oder verschließbar ist.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass ein Strömungsraum des Umgehungselements temperaturabhängig geöffnet und/oder geschlossen wird oder öffenbar und/oder schließbar ist. Es lässt sich dadurch in Abhängigkeit einer Temperatur eines Mediumstroms eine Öffnung und/oder eine Schließung des Strömungsraums des Umgehungselements realisieren.
  • Beispielsweise ist eine temperaturabhängige Öffnung und/oder Schließung des Strömungsraums elektrisch und/oder mechanisch, wie z.B. durch Bimetallstreifen, realisiert.
  • Bimetallstreifen verändern ihre Form temperaturabhängig, was eine temperaturabhängige selbstständige Öffnung und/oder Schließung des Strömungsraums ermöglicht.
  • Beispielsweise ist das Umgehungselement in einem Querschnitt als Polygon und insbesondere als Hexagon oder als Kreis ausgebildet, wobei eine Querschnittsrichtung quer und insbesondere senkrecht zu einer Längsmittelachse des Umgehungselements orientiert ist.
  • Beispielsweise ist das Umgehungselement zumindest abschnittsweise als geometrisches und insbesondere regelmäßiges geometrisches Prisma ausgebildet, wobei eine Grundfläche des Prismas als Polygon und insbesondere als Hexagon ausgebildet ist. Beispielsweise beträgt eine Kantenlänge des Polygons höchstens 70 mm und insbesondere beträgt die Kantenlänge mindestens 15 mm und/oder höchstens 50 mm.
  • Beispielsweise ist das Umgehungselement zumindest abschnittsweise als geometrischer Zylinder ausgebildet.
  • Beispielsweise sind der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung ein oder mehrere Umgehungselemente zugeordnet.
  • Eine Längsmittelachse der Umgehungselemente ist beispielsweise zumindest näherungsweise parallel zu den zweiten Wärmeübertragungselementen der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung orientiert.
  • Beispielsweise sind ein oder mehrere Umgehungselemente der Umgehungseinrichtung zu dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement benachbart angeordnet. Beispielsweise ist eine jeweilige Längsmittelachse der Umgehungselemente zumindest näherungsweise parallel zu der Längsmittelachse des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements orientiert.
  • Beispielsweise sind das oder die Umgehungselemente der Umgehungseinrichtung an einem Wärmeübertragungsgehäuse der ersten Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet und/oder befestigt.
  • Erfindungsgemäß wird ein eingangs genanntes Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine erste Wärmeübertragungseinrichtung, eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung und eine thermoelektrische Moduleinrichtung, wobei die erste Wärmeübertragungseinrichtung mindestens ein erstes Wärmeübertragungselement aufweist und wobei dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement ein zweites Wärmeübertragungselement der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung zugeordnet ist, wobei bei dem Verfahren das zweite Wärmeübertragungselement zumindest abschnittsweise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements angeordnet wird und zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement und dem zweiten Wärmeübertragungselement eine thermoelektrische Einheit der thermoelektrischen Moduleinrichtung angeordnet wird, wobei das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement und/oder das zweite Wärmeübertragungselement zumindest abschnittsweise als geometrisches Prisma ausgebildet sind, und wobei eine Grundfläche des Prismas als Polygon mit einer Kantenlänge von höchstens 70 mm ausgebildet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile der vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Generatorvorrichtung auf.
  • Insbesondere ist die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbar oder wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt.
  • Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die thermoelektrische Einheit mit dem zweiten Wärmeübertragungselement mechanisch verbunden wird. Beispielsweise wird die thermoelektrische Einheit mit dem zweiten Wärmeübertragungselement stoffschlüssig, wie beispielsweise mittels kleben, verbunden.
  • Günstig kann es sein, wenn das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement auf die thermoelektrische Einheit und das zweite Wärmeübertragungselement aufgespannt wird. Beispielsweise werden die thermoelektrische Einheit und das zweite Wärmeübertragungselement innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements eingespannt angeordnet.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn die thermoelektrische Einheit und das zweite Wärmeübertragungselement innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements mittels einer Spanneinrichtung eingespannt angeordnet werden.
  • Beispielsweise umfasst die Spanneinrichtung ein oder mehrere Spannelemente, insbesondere elastische Spannelemente. Das Spannelement ist beispielsweise als Spannschelle ausgebildet.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zwischen einem Spannelement der Spanneinrichtung und dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement eine Oberflächenvergrößerungsstruktur angeordnet wird oder angeordnet ist.
  • Vorteilhaft kann es sein, wenn ein oder mehrere Kombinationen aus erstem Wärmeübertragungselement, thermoelektrischer Einheit und zweitem Wärmeübertragungselement mit einem Wärmeübertragungsgehäuse der ersten Wärmeübertragungseinrichtung verbunden werden. Beispielsweise wird eine stoffschlüssige Verbindung, zum Beispiel mittels Löten oder Schweißen, hergestellt.
  • Ein oder mehrere Wandungselemente des Wärmeübertragungsgehäuses sind beispielsweise als Lochblech ausgeführt, wobei in Löchern des Lochblechs die Kombinationen angeordnet werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass eine Mehrzahl von Kombinationen aus erstem Wärmeübertragungselement, thermoelektrischer Einheit und zweitem Wärmeübertragungselement innerhalb einer Spanneinrichtung eingespannt angeordnet werden. Beispielsweise ist dann in einem von der Spanneinrichtung begrenzten Innenraum ein Strömungsraum der ersten Wärmeübertragungseinrichtung gebildet.
  • Mittels der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung lässt sich beispielsweise Abwärme von Fluiden verschiedenster mobiler Anwendungen, Prozesse und Anlagen nutzen. Mittels der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung lässt sich beispielsweise die Abwärme von Verbrennungsmotoren in nutzbare elektrische Energie umwandeln. Beispielsweise wird die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor verwendet.
  • Grundsätzlich ist es auch möglich, die Funktion der thermoelektrischen Moduleinrichtung umzukehren und mittels des Peltier-Effekts durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung und/oder zweite Wärmeübertragungseinrichtung geführte Medienströme zu temperierten.
  • Falls nicht anders angegeben ist unter den Angaben „zumindest näherungsweise“ und „ca.“ zu verstehen, dass ein Wert und/oder ein Abstand und/oder ein Winkel um höchstens 20% von dem angegebenen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.
  • Falls eine bestimmte ideale geometrische Form angegeben ist, ist hiervon insbesondere grundsätzlich auch eine Abweichung der geometrischen Form um durchschnittlich höchstens 20% von der angegebenen idealen geometrischen Form umfasst. Eine prozentuale Abweichung einer geometrischen Form von einer idealen geometrischen Form entspricht beispielsweise einer durchschnittlichen Abweichung einer Breite und/oder Länge und/oder Höhe der geometrischen Form von der Breite und/oder Länge und/oder Höhe der idealen geometrischen Form.
  • Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Darstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtu ng;
    • 2 eine Ansicht auf die thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß 1 von oben;
    • 3 eine schematische Schnittansicht der thermoelektrischen Generatorvorrichtung in einem Querschnitt längs der Linie 2-2 gemäß 2;
    • 4 eine Detailansicht des Teilbereichs A gemäß 3;
    • 5 eine schematische Schnittansicht der thermoelektrischen Generatorvorrichtung in einem Querschnitt längs der Linie 4-4 gemäß 2;
    • 6 eine Detailansicht des Teilbereichs B gemäß 5;
    • 7 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Kombination aus einem ersten Wärmeübertragungselement, einer thermoelektrischen Einheit und einem zweiten Wärmeübertragungselement der thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
    • 8 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei in einem Strömungsraum einer ersten Wärmeübertragungseinrichtung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eine Mehrzahl von Leitblechen an angeordnet ist;
    • 9 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei einer zweiten Wärmeübertragungseinrichtung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung mehrere Umgehungselemente zugeordnet sind;
    • 10 eine schematische Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei einer zweiten Wärmeübertragungseinrichtung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung ein Umgehungselement zugeordnet ist;
    • 11 eine perspektivische Ansicht von drei Kombinationen aus jeweils einem ersten Wärmeübertragungselement, einer thermoelektrischen Einheit und einem zweiten Wärmeübertragungselement der thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei die thermoelektrische Einheit und das zweite Wärmeübertragungselement mittels einer Spanneinrichtung innerhalb des ersten Wärmeübertragungselements eingespannt angeordnet sind;
    • 12 eine Seitenansicht auf die in 11 dargestellten Kombinationen;
    • 13 eine schematische Schnittansicht von 3 Kombinationen aus jeweils einem ersten Wärmeübertragungselement, einer thermoelektrischen Einheit und einem zweiten Wärmeübertragungselement der thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei einer Kombination jeweils eine Spanneinrichtung zugeordnet ist und von der Spanneinrichtung ausgeübte Kräfte angedeutet sind;
    • 14 eine schematische Schnittansicht eines Teilbereichs einer Kombination aus erstem Wärmeübertragungselement, thermoelektrischer Einheit und zweitem Wärmeübertragungselement der thermoelektrischen Generatorvorrichtung, wobei das erste Wärmeübertragungselement elastische Kantenbereiche aufweist;
    • 15 eine schematische Schnittansicht einer Mehrzahl von Kombinationen aus erster Wärmeübertragungseinrichtung, thermoelektrischer Einheit und zweiter Wärmeübertragungseinrichtung, wobei die Kombinationen mittels einer Spanneinrichtung gegeneinander eingespannt angeordnet sind; und
    • 16 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines thermoelektrischen Elements der thermoelektrischen Generatorvorrichtu ng.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in 1 gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst eine erste Wärmeübertragungseinrichtung 12 und eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14.
  • Beispielsweise ist die erste Wärmeübertragungseinrichtung 12 eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung mit einem Kaltmediumstrom und die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 eine Heißwärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung mit einem Heißmediumstrom (oder umgekehrt). Der Heißmediumstrom ist beispielsweise ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors und der Kaltmediumstrom ist beispielsweise ein Kühlwasserstrom.
  • Der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 ist eine Mehrzahl von ersten Wärmeübertragungselementen 16 zugeordnet und der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung 14 ist eine Mehrzahl von zweiten Wärmeübertragungselementen 18 zugeordnet. Hierbei ist jeweils ein einziges zweites Wärmeübertragungselement 18 räumlich innerhalb eines ersten Wärmeübertragungselements 16 angeordnet.
  • Eine thermoelektrische Moduleinrichtung 20 der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 weist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Einheiten 22 auf (3 und 4). Die thermoelektrischen Einheiten 22 sind bei dem gezeigten Beispiel voneinander verschiedenen ersten Wärmeübertragungselementen 16 bzw. zweiten Wärmeübertragungselementen 18 zugeordnet. Beispielsweise sind mehrere thermoelektrische Einheiten 22 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 elektrisch in Reihe und/oder elektrisch parallel geschaltet.
  • Zwischen einem ersten Wärmeübertragungselement 16 und einem zweiten Wärmeübertragungselement 18 ist jeweils eine einzige thermoelektrische Einheit 22 angeordnet.
  • Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 weist eine Mehrzahl von Kombinationen 24 auf, wobei eine Kombinationen 24 jeweils ein erstes Wärmeübertragungselement 16, ein zweites Wärmeübertragungselement 18 und eine thermoelektrische Einheit 22 umfasst.
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 weisen eine polygonale und insbesondere hexagonale Querschnittsfläche auf. Beispielsweise sind das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 als geometrisches Prisma mit polygonaler und insbesondere hexagonaler Grundfläche ausgebildet.
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 erstrecken sich längs einer gemeinsamen Längsmittelachse 26. Beispielsweise sind das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 konzentrisch und/oder rotationssymmetrisch bezüglich der Längsmittelachse 26 angeordnet oder ausgebildet.
  • Bezüglich einer radialen Richtung 28, welche in einer zu der Längsmittelachse 26 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene liegt, weist das zweite Wärmeübertragungselement 18 einen kleineren Radius auf als das erste Wärmeübertragungselement 16.
  • Beispielsweise ist eine Querschnittsebene eines Querschnitts, in welchem das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 polygonal und insbesondere hexagonal ausgebildet ist, quer und insbesondere senkrecht zu der Längsmittelachse 26 orientiert.
  • Zwischen dem ersten Wärmeübertragungselement 16 und dem zweiten Wärmeübertragungselement 18 ist ein Zwischenraum 30 gebildet, in welchem die thermoelektrische Einheit 22 angeordnet ist.
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16 weist eine Mehrzahl von Wandungselementen 32 auf, welche einen Innenraum 34 des ersten Wärmeübertragungselements 16 begrenzen. Die Wandungselemente 32 begrenzen den Innenraum 34 insbesondere in einer zu der Längsmittelachse 26 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene.
  • Die Wandungselemente 32 sind insbesondere eben ausgebildet und/oder erstrecken sich insbesondere in einer zu der Längsmittelachse 26 parallel orientierten Ebene.
  • Voneinander verschiedene Wandungselemente 32 des ersten Wärmeübertragungselements 16 sind jeweils an einem Eckbereich 36 mechanisch miteinander verbunden. Beispielsweise sind voneinander verschiedene Wandungselemente 32 in dem Eckbereich 36 mittels eines Verbindungselements 38 mechanisch miteinander verbunden.
  • Innerhalb des Innenraums 34 des Wärmeübertragungselements 16 sind die thermoelektrische Einheit 22 und das zweite Wärmeübertragungselement 18 angeordnet. Der Zwischenraum 30 ist innerhalb des Innenraums 34 angeordnet.
  • Eine Grundfläche der Wandungselemente 32 des ersten Wärmeübertragungselements 16 weist jeweils Kantenbereiche 40 auf, wobei ein Kantenbereich 40 jeweils zwischen zwei Eckbereichen 36 ausgebildet oder angeordnet ist.
  • Einander benachbarte Wandungselemente 32 des ersten Wärmeübertragungselements 16 sind jeweils an einem Eckbereich 36 miteinander verbunden.
  • Das zweite Wärmeübertragungselement 18 weist mehrere Wandungselemente 42 auf, welche einen Innenraum 44 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 begrenzen. Beispielsweise umgeben und/oder umschließen die Wandungselemente 42 den Innenraum 44 in einer zu der Längsmittelachse 26 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene.
  • Der Innenraum 44 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 ist innerhalb des Innenraums 34 des ersten Wärmeübertragungselements 16 angeordnet.
  • Die Wandungselemente 42 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 sind insbesondere jeweils eben ausgebildet und/oder erstrecken sich insbesondere zumindest näherungsweise parallel zu der Längsmittelachse 26.
  • Voneinander verschiedene Wandungselemente 42 sind an Eckbereichen 46 jeweils mechanisch miteinander verbunden.
  • Eine Grundfläche des zweiten Wärmeübertragungselements 18 weist mehrere Kantenbereiche 48 auf, welche an den Wandungselementen 42 ausgebildet sind. Ein Kantenbereich 48 ist dabei zwischen zwei gegenüberliegenden Eckbereichen 46 ausgebildet.
  • Einander benachbarte Wandungselemente 42 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 sind jeweils an einem Eckbereich 46 miteinander verbunden.
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16 und das zweite Wärmeübertragungselement 18 weisen in einem quer und insbesondere senkrecht zu der Längsmittelachse 26 orientierten Querschnitt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils sechs Kantenbereiche 40 bzw. 48 auf.
  • Die Kantenbereiche 40 des ersten Wärmeübertragungselements 16 und die Kantenbereiche 48 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 sind jeweils zumindest näherungsweise parallel zueinander ausgerichtet.
  • Zwischen einander gegenüberliegenden Wandungselementen 32 des ersten Wärmeübertragungselements 16 und Wandungselementen 42 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 ist die thermoelektrische Einheit 22 angeordnet. Beispielsweise weist die thermoelektrische Einheit 22 mehrere thermoelektrische Elemente 50 auf (z.B. sechs thermoelektrische Elemente 50), wobei ein thermoelektrisches Element 50 jeweils zwischen zwei einander gegenüberliegenden Wandungselementen 32 und 42 des ersten Wärmeübertragungselements 16 bzw. des zweiten Wärmeübertragungselements 18 angeordnet ist.
  • Beispielsweise weist das erste Wärmeübertragungselement 16 sechs Kantenbereiche 40 und/oder sechs Wandungselemente 32 und/oder sechs Eckbereiche 36 auf. Beispielsweise weist das zweite Wärmeübertragungselement 18 sechs Kantenbereiche 48 und/oder sechs Wandungselemente 42 und/oder sechs Eckbereiche 46 auf.
  • In dem Innenraum 44 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 ist ein Strömungsraum 52 für Fluid gebildet, welcher der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung 14 zugeordnet ist. Dieser Strömungsraum 52 lässt sich von einem durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 geführten Mediumstrom durchströmen.
  • In dem Innenraum 44 und/oder dem Strömungsraum 52 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 ist eine Oberflächenvergrößerungsstruktur 54 angeordnet. Beispielsweise umfasst die Oberflächenvergrößerungsstruktur 54 eine Rippenstruktur und/oder eine Wabenstruktur und/oder eine Drahtstruktur.
  • Mittels der Oberflächenstruktur 54 wird eine Oberfläche eines Kontaktbereichs zwischen einem durch den Strömungsraum 52 geführten Mediumstrom und dem zweiten Wärmeübertragungselement 18 vergrößert.
  • Beispielsweise erstreckt sich die Oberflächenvergrößerungsstruktur 54 von einem Mittelbereich 56 und/oder Zentralbereich des zweiten Wärmeübertragungselements 18 zu den Wandungselementen 42.
  • Die Kantenbereiche 40 des ersten Wärmeübertragungselements 16 weisen eine Länge L1 auf, wobei eine Längenrichtung quer und insbesondere senkrecht zu der Längsmittelachse 26 orientiert ist. Die Kantenbereiche 48 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 weisen eine Länge L2 auf, wobei eine Längenrichtung quer und insbesondere senkrecht zu der Längsmittelachse 26 orientiert ist.
  • Die Längenrichtung der Kantenlänge L1 und/oder der Kantenlänge L2 liegt beispielsweise in einer zu der Längsmittelachse 26 quer und insbesondere senkrecht orientierten Ebene.
  • Insbesondere weisen alle Kantenbereiche 40 des ersten Wärmeübertragungselements 16 eine gleiche Kantenlänge L1 auf und/oder es weisen alle Kantenbereiche 48 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 eine gleiche Kantenlänge L2 auf. Dadurch sind das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 beispielsweise in einem zu der Längsmittelachse 26 quer und insbesondere senkrecht orientierten Querschnitt als regelmäßiges Polygon und insbesondere als regelmäßiges Hexagon ausgebildet.
  • Beispielsweise beträgt eine Kantenlänge L1 des ersten Wärmeübertragungselements 16 und/oder eine Kantenlänge L2 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 mindestens 10 mm und/oder höchstens 50 mm.
  • Die erste Wärmeübertragungseinrichtung 12 weist ein Wärmeübertragungsgehäuse 58 auf, an welchem die Kombinationen 24 angeordnet und/oder gehalten sind. Beispielsweise sind an dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 die ersten Wärmeübertragungselemente 16 und/oder die zweiten Wärmeübertragungselemente 18 und/oder die thermoelektrischen Einheiten 22 angeordnet.
  • Das Wärmeübertragungsgehäuse 58 begrenzt einen Innenraum 60 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12. In diesem Innenraum 60 ist ein Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 für Fluid gebildet (3).
  • Beispielsweise erstreckt sich das Wärmeübertragungsgehäuse 58 entlang einer Längsmittelachse 64. Beispielsweise ist das Wärmeübertragungsgehäuse 58 zumindest näherungsweise rotationssymmetrisch bezüglich dieser Längsmittelachse 64 ausgebildet.
  • Zur Einkopplung von Fluid in den Innenraum 60 und/oder den Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 weist das Wärmeübertragungsgehäuse 58 eine Eingangseinrichtung 66 auf, welche beispielsweise an einem ersten Endbereich 68 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 angeordnet ist.
  • Zur Auskopplung von Fluid aus dem Strömungsraum 62 und/oder dem Innenraum 60 umfasst das Wärmeübertragungsgehäuse 58 eine Ausgangseinrichtung 70, welche beispielsweise an einem zweiten Endbereich 72 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 angeordnet ist.
  • Der erste Endbereich 68 und der zweite Endbereich 72 sind beispielsweise in Richtung der Längsmittelachse 64 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 zueinander beabstandet. Beispielsweise sind der erste Endbereich 68 und der zweite Endbereich 72 an einander gegenüberliegenden Seiten des Wärmeübertragungsgehäuses 58 angeordnet.
  • Das Wärmeübertragungsgehäuse 58 weist ein erstes Wandungselement 74 und ein dem ersten Wandungselement 74 gegenüberliegendes zweites Wandungselement 76 auf. Das erste Wandungselement 74 und/oder das zweite Wandungselement 76 liegen beispielsweise in einer Ebene, welche quer und insbesondere senkrecht zu den Längsmittelachsen 26 der ersten Wärmeübertragungselemente 16 und/oder der zweiten Wärmeübertragungselemente 18 orientiert ist.
  • Das erste Wandungselement 74 und das zweite Wandungselement 76 sind mittels eines dritten Wandungselements 78 mechanisch miteinander verbunden.
  • Das erste Wandungselement 74 und/oder das zweite Wandungselement 76 und/oder das dritte Wandungselement 78 sind insbesondere eben ausgebildet.
  • Beispielsweise sind die Eingangseinrichtung 66 und/oder die Ausgangseinrichtung 70 an dem dritten Wandungselement 78 angeordnet oder ausgebildet.
  • Der Innenraum 60 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 ist, beispielsweise mittels des ersten Wandungselements 74, des zweiten Wandungselements 76 und des dritten Wandungselements 78, bis auf die Eingangseinrichtung 66 und die Ausgangseinrichtung 70 fluiddicht geschlossen.
  • Die ersten Wärmeübertragungselemente 16 sind mit dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 mechanisch verbunden. Beispielsweise sind die ersten Wärmeübertragungselemente 16 mit dem ersten Wandungselement 74 und mit dem zweiten Wandungselement 76 mechanisch verbunden.
  • Die ersten Wärmeübertragungselemente 16 verlaufen durch den Innenraum 60 und/oder durch den Strömungsraum 62. Der jeweilige Innenraum 34 der ersten Wärmeübertragungselemente 16 ist gegenüber dem Innenraum 60 und/oder dem Strömungsraum 62 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 fluiddicht abgedichtet.
  • Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung werden die ersten Wärmeübertragungselemente 16 von einem durch den Strömungsraum 62 geführten Mediumstrom umströmt, wodurch ein Wärmeaustausch zwischen dem Mediumstrom und den ersten Wärmeübertragungselementen 16 erfolgen kann.
  • Die thermoelektrischen Einheiten 22 stehen jeweils in thermischem Kontakt mit einem durch den Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 geführten Fluid und mit einem durch den Strömungsraum 52 der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung 14 geführten Fluid. Der thermische Kontakt der thermoelektrischen Einheit 22 mit dem Strömungsraum 62 ist mittels des ersten Wärmeübertragungselements 16 hergestellt und der thermische Kontakt der thermoelektrischen Einheit 22 mit dem Strömungsraum 52 ist mittels des zweiten Wärmeübertragungselements 18 hergestellt.
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16 ist in einem dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 zugewandten Endbereich 80 des ersten Wärmeübertragungselements 16 mit dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 mechanisch verbunden. Beispielsweise ist das erste Wärmeübertragungselement 16 bei dem gezeigten Beispiel mit dem ersten Wandungselement 74 und/oder dem zweiten Wandungselement 76 jeweils mechanisch verbunden (5 und 6).
  • Eine Ausführungsform einer mechanischen Verbindung des ersten Wärmeübertragungselements 16 mit dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 ist in 6 beispielhaft anhand einer Verbindung des ersten Wärmeübertragungselements 16 mit dem ersten Wandungselement 74 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 gezeigt.
  • Bei dem gezeigten Beispiel ist das erste Wärmeübertragungselement 16 in dem Endbereich 80 mit einem Schutzglaselement 82 verbunden, wobei das Schutzglaselement 82 zwischen dem Endbereich 80 des ersten Wärmeübertragungselements 16 und dem ersten Wandungselement 74 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 angeordnet ist. Beispielsweise ist oder umfasst das Schutzglaselement 82 ein thermisches Isolationselement.
  • Es kann vorgesehen sein, dass in einem Bereich zwischen dem Endbereich 80 und dem ersten Wandungselement 74 ein Kabelkanal angeordnet ist (nicht gezeigt).
  • Das Schutzglaselement 82 ist mit dem ersten Wandungselement 74 mechanisch verbunden.
  • Zwischen dem ersten Wandungselement 74 und dem Schutzglaselement 82 und/oder zwischen dem Schutzglaselement 82 und dem ersten Wärmeübertragungselement 16 ist beispielsweise eine stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung hergestellt.
  • Die thermoelektrische Einheit 22 ist beispielsweise mit dem ersten Wärmeübertragungselement 16 und mit dem zweiten Wärmeübertragungselement 18 stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden.
  • Das zweite Wärmeübertragungselement 18 ist mit dem ersten Wandungselement 74 des Wärmeübertragungsgehäuses 58 beispielsweise stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig verbunden.
  • Beispielsweise ist das zweite Wärmeübertragungselement 18 mit dem ersten Wandungselement 74 mittels Löten oder Schweißen stoffschlüssig verbunden.
  • Beispielsweise ist der Innenraum 60 und/oder der Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 mittels einer Dichtungseinrichtung 83 gegenüber dem Innenraum 34 des ersten Wärmeübertragungselements 16 fluiddicht abgedichtet.
  • Die Dichtungseinrichtung 83 ist insbesondere an dem Endbereich 80 des ersten Wärmeübertragungselements 16 angeordnet. Beispielsweise ist die Dichtungseinrichtung 83 zwischen dem Endbereich 80 und dem Schutzglaselement 82 und/oder dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 und/oder dem ersten Wandungselement 74 angeordnet.
  • Die Dichtungseinrichtung 83 ist oder umfasst beispielsweise eine statische Dichtung, welche beispielsweise aus einem geformten Blech oder Polymer bestehen kann.
  • Beispielsweise ist die Dichtungseinrichtung 83 mittels einer stoffschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindung angeordnet und/oder gehalten.
  • Die ersten Wärmeübertragungselemente 16 und/oder die zweiten Wärmeübertragungselemente 18 sind an dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 derart angeordnet, dass jeweiligen Längsmittelachsen 26 voneinander verschiedener erster Wärmeübertragungselemente 16 und/oder zweiter Wärmeübertragungselemente 18 zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind (1 und 3).
  • Einander gegenüberliegende Kantenbereiche 40 und/oder Wandungselemente 32 zueinander benachbarter erster Wärmeübertragungselemente 16 sind insbesondere zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert.
  • Einander gegenüberliegende Wandungselemente 32 und/oder Kantenbereiche 40 zueinander benachbarter erster Wärmeübertragungselemente 16 sind mit einem Abstand A1 zueinander beabstandet. Beispielsweise beträgt der Abstand A1 ca. 5 mm.
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16 weist in einem zu der Längsmittelachse 26 quer und insbesondere senkrecht orientierten Querschnitt einen Mittelpunkt 84 auf. Beispielsweise liegen die Mittelpunkte 84 mehrerer zueinander benachbarter erster Wärmeübertragungselemente 16 auf Ecken eines Polygons und insbesondere eines Hexagons.
  • Bei einer Ausführungsform ist oder umfasst die Oberflächenvergrößerungsstruktur 54, welche in dem Strömungsraum 52 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 angeordnet ist, ein poröses Medium (7). Beispielsweise ist das poröse Medium ein metallisches Medium und/oder ein offenporiger Schaum.
  • Insbesondere beträgt ein Zellendurchmesser des porösen Mediums ca. 3 mm. Beispielsweise weist das poröses Medium mindestens 5 und/oder höchstens 40 ppi (pores per inch) auf.
  • Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass in dem Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 eine Oberflächenvergrößerungsstruktur 86 angeordnet ist (angedeutet in 3). Diese Oberflächenvergrößerungsstruktur 86 ist beispielsweise gleichartig ausgebildet wie die Oberflächenvergrößerungsstruktur 54 der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung 14.
  • Die Oberflächenvergrößerungsstruktur 86 umgibt die ersten Wärmeübertragungselemente 16 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12. Beispielsweise steht die Oberflächenvergrößerungsstruktur 86 in thermischem und/oder mechanischem Kontakt mit den ersten Wärmeübertragungselementen 16 und/oder mit dem Wärmeübertragungsgehäuse 58.
  • Es kann vorgesehen sein, dass in dem Strömungsraum 62 und/oder in dem Innenraum 60 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 eine Leiteinrichtung 88 angeordnet ist, mittels welcher sich ein Strömungspfad eines durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung 12 geführten Mediumstroms steuern und/oder regeln lässt (8).
  • Beispielsweise ist die Leiteinrichtung 88 in dem Innenraum 60 an dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 angeordnet oder ausgebildet.
  • Bei dem gezeigten Beispiel weist die Leiteinrichtung 88 ein oder mehrere Leitelemente 90 auf, welche insbesondere eine gekrümmte Form aufweisen. Beispielsweise sind die Leitelemente 90 als Leitbleche ausgebildet.
  • Mittels der Leiteinrichtung 88 und/oder der Leitbleche 90 lässt sich ein durch den Innenraum 60 und/oder durch den Strömungsraum 62 geführter Mediumstrom gezielt auf die ersten Wärmeübertragungselemente 16 und/oder in zwischen einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen 16 gebildeten Zwischenräume 92 leiten.
  • Eine Haupt-Strömungsrichtung 94 eines durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung 12 geführten Mediumstroms ist in 8 durch Pfeile angedeutet.
  • Bei dem in 8 gezeigten Beispiel ist eine Haupt-Strömungsrichtung 96 eines durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 und/oder durch die zweiten Wärmeübertragungselemente 18 geführten Mediumstroms quer und insbesondere senkrecht zu der Haupt-Strömungsrichtung 94 orientiert.
  • Bei den in den 9 und 10 gezeigten Beispielen weist die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 eine Umgehungseinrichtung 98 für Fluid auf. Mittels dieser Umgehungseinrichtung 98 lässt sich ein durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 geführter Mediumstrom zumindest teilweise an der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 und/oder an den thermoelektrischen Einheiten 22 vorbeiführen.
  • Zwischen einem durch die Umgehungseinrichtung 98 geführten Mediumstrom und der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 findet kein Wärmeaustausch statt. Dadurch lässt sich beispielsweise im Bedarfsfall eine Überhitzung von thermoelektrischen Einheiten 22 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 verhindern.
  • Die Umgehungseinrichtung 98 weist ein oder mehrere Umgehungselemente 100 auf, welche beispielsweise in einem Mittelbereich 102 und/oder Zentralbereich des Wärmeübertragungsgehäuses 58 und/oder des Innenraums 60 und/oder des Strömungsraums 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 angeordnet sind.
  • Das Umgehungselement 100 ist beispielsweise in einem Querschnitt polygonal und insbesondere hexagonal (9) oder kreisförmig (10) ausgebildet, wobei eine Querschnittsrichtung beispielsweise quer und insbesondere senkrecht zu einer Längsmittelachse 104 des Umgehungselements 100 orientiert ist.
  • Die Längsmittelachse 104 des Umgehungselements 100 ist beispielsweise zumindest näherungsweise parallel zu der Längsmittelachse 26 des ersten Wärmeübertragungselements 16 und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements 18 orientiert.
  • Beispielsweise ist das Umgehungselement 100 als polygonales und insbesondere hexagonales geometrisches Prisma oder als geometrischer Zylinder ausgebildet.
  • Das Umgehungselement 100 weist einen Strömungsraum 106 für Fluid auf, welcher beispielsweise öffenbar und/oder schließbar ist. Beispielsweise ist der Strömungsraum 106 temperaturabhängig öffenbar und/oder schließbar.
  • Eine temperaturabhängige Öffnung ist beispielsweise elektrisch und/oder mechanisch, z.B. mittels Bimetallstreifen realisiert.
  • Zur Öffnung und/oder Schließung des Strömungsraums 106 des Umgehungselements 100 sind beispielsweise Klappenelemente (nicht gezeigt) vorgesehen.
  • Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Umgehungseinrichtung 98 Umgehungselemente aufweist, welche außerhalb des Wärmeübertragungsgehäuses 58 angeordnet sind und/oder verlaufen.
  • Die Herstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
    • Zur Ausbildung der Kombinationen 24 aus erstem Wärmeübertragungselement 16, zweitem Wärmeübertragungselement 18 und thermoelektrischer Einheit 22 wird die thermoelektrische Einheit 22 zunächst mit dem zweiten Wärmeübertragungselement 18 verbunden.
  • Beispielsweise werden die thermoelektrischen Elemente 50 der thermoelektrischen Einheit 22 an eine dem Innenraum 44 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 abgewandte Seite 108 angeordnet. Die thermoelektrischen Elemente 50 werden beispielsweise an den Kantenbereichen 48 des zweiten Wärmeübertragungselements 18 angeordnet.
  • Insbesondere werden die thermoelektrischen Elemente 50 mit dem zweiten Wärmeübertragungselement 18 stoffschlüssig, wie beispielsweise durch kleben, verbunden.
  • Anschließend wird das erste Wärmeübertragungselement 16 auf die an dem zweiten Wärmeübertragungselement 18 angeordnete thermoelektrische Einheit 22 aufgespannt. Die thermoelektrische Einheit 22 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 werden insbesondere innerhalb des ersten Wärmeübertragungselements 16 eingespannt angeordnet.
  • Zur Einspannung der thermoelektrischen Einheit 22 und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements 18 innerhalb des ersten Wärmeübertragungselements 16 ist dem ersten Wärmeübertragungselement 16 eine Spanneinrichtung 110 zugeordnet.
  • Bei dem in 7 gezeigten Beispiel weist die Spanneinrichtung 110 ein oder mehrere Aufnahmeelemente 112 für Schraubenelemente 114 auf, wobei die Aufnahmeelemente 112 beispielsweise an den in den Eckbereichen 36 angeordneten Verbindungselementen 38 angeordnet oder ausgebildet sind.
  • Durch Einschrauben der Schraubenelemente 114 werden die Wandungselemente 32 aneinander gezogen, sodass die Wandungselemente 32 gegen die thermoelektrische Einheit 22 und/oder das zweite Wärmeübertragungselement 18 gedrückt und/oder verspannt werden.
  • Bei der in den 11 und 12 gezeigten Ausführungsform weist die Spanneinrichtung 110 ein oder mehrere Spannelemente 116 auf, welche an einer dem Innenraum 34 des ersten Wärmeübertragungselements 16 abgewandten Seite 118 des ersten Wärmeübertragungselements 16 angeordnet werden oder angeordnet sind.
  • Beispielsweise ist das Spannelement 116 als Spannschelle ausgebildet, welche z.B. an das erste Wärmeübertragungselement 16 und/oder an die Seite 118 anpressbar ist.
  • Mittels des Spannelements 116 lässt sich insbesondere eine Spannkraft und/oder eine elastische Spannkraft zur Verspannung des ersten Wärmeübertragungselements 16 gegenüber der thermoelektrischen Einheit 22 und/oder des zweiten Wärmeübertragungselements 18 ausüben.
  • Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Spannelement 116 und der Seite 118 des ersten Wärmeübertragungselements 16 eine Oberflächenvergrößerungsstruktur 120 angeordnet wird oder angeordnet ist. Diese Oberflächenvergrößerungsstruktur 120 weist beispielsweise ein oder mehrere Merkmale der Oberflächenvergrößerungsstruktur 86 auf.
  • Beispielsweise umfasst die Oberflächenvergrößerungsstruktur 120 ein poröses Medium, wie beispielsweise einen Metallschaum, und/oder eine Drahtvorrichtung.
  • Eine Funktionsweise der Spanneinrichtung 110 ist in 13 schematisch dargestellt. Mittels der Spanneinrichtung 110 und/oder des Spannelements 116 wird eine Kraft des ersten Wärmeübertragungselements 16 auf die thermoelektrische Einheit 22 und/oder auf das zweite Wärmeübertragungselement 18 realisiert, welche in Richtung des Innenraums 34 des ersten Wärmeübertragungselements 16 gerichtet ist.
  • Eine Richtung der mittels der Spanneinrichtung 110 und/oder des Spannelements 116 ausgeübten Kräfte ist in 13 durch Pfeile 122 dargestellt.
  • Die auf diese Weise hergestellten Kombinationen 24 werden dann an dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 angeordnet.
  • Beispielsweise sind das erste Wandungselement 74 und/oder das zweite Wandungselement 76 als Lochblech ausgebildet, in welches die Kombinationen 24 eingeschoben werden können.
  • Die Kombinationen 24 werden anschließend mit dem Wärmeübertragungsgehäuse 58 verbunden. Beispielsweise wird eine stoffschlüssige Verbindung, z.B. mittels Schweißen, hergestellt.
  • Bei einer in den 14 und 15 gezeigten Variante der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 ist es vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Kombinationen 24 mittels einer Spanneinrichtung 124 zusammengehalten ist. Die Kombinationen 24 sind mittels der Spanneinrichtung 124 gegeneinander verspannt und/oder innerhalb der Spanneinrichtung 124 eingespannt angeordnet.
  • Bei der in 15 gezeigten Variante ist mittels der Spanneinrichtung 124 beispielsweise zumindest teilweise ein Wärmeübertragungsgehäuse 125 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 gebildet. Die Spanneinrichtung 124 und/oder das Wärmeübertragungsgehäuse 125 begrenzen einen Innenraum 126, in welchem der Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 gebildet ist. Die Kombinationen 24 sind innerhalb des Innenraums 126 und/oder des Strömungsraums 62 angeordnet.
  • Beispielsweise ist in dem Innenraum 126 und/oder in dem Strömungsraum 62 eine Oberflächenvergrößerungsstruktur 128 angeordnet, welche gleichartig ausgebildet ist wie die vorstehend beschriebene Oberflächenvergrößerungsstruktur 54 und/oder 86 und insbesondere ein oder mehrere Merkmale der vorstehend beschriebenen Oberflächenvergrößerungsstruktur 54 und/oder 86 aufweist. Insbesondere umgibt die Oberflächenvergrößerungsstruktur 128 die Kombinationen 24, und/oder die Oberflächenvergrößerungsstruktur 128 steht in thermischem und/oder mechanischem Kontakt mit den Kombinationen 24.
  • Die Spanneinrichtung 124 weist beispielsweise ein Schraubenelement 130 auf, mittels welchem die Spanneinrichtung 124 zusammenziehbar ist und/oder eine von der Spanneinrichtung 124 ausgeübte Spannkraft anpassbar ist.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Eckbereiche 36 und/oder die Verbindungselemente 38 der ersten Wärmeübertragungselemente 16 elastisch ausgebildet sind (siehe beispielsweise 14 und 15).
  • Beispielsweise weist das erste Wärmeübertragungselement 16 ein Ausgleichselement 132 auf, welches insbesondere in dem Eckbereich 36 angeordnet ist.
  • Beispielsweise ist das Ausgleichselement 132 Teil des Verbindungselements 38 oder das Verbindungselement 38 ist als Ausgleichselement 132 ausgebildet.
  • Beispielsweise ist oder umfasst das Ausgleichselement 132 ein elastisches Element und/oder ein elastisches Wellenelement.
  • Es kann vorgesehen sein, dass einander benachbarte Eckbereiche 36 voneinander benachbarter erster Wärmeübertragungselemente 16 jeweils mittels eines Verbindungselements 134 mechanisch miteinander verbunden sind. Dieses Verbindungselementen 134 ist beispielsweise als elastisches Element ausgeführt.
  • Mittels der Ausgleichselemente 132 und/oder der Verbindungselemente 134 lässt sich insbesondere eine elastische Einspannung der ersten Wärmeübertragungselemente 16 und/oder Kombinationen 24, beispielsweise mittels und/oder innerhalb der Spanneinrichtung 124, realisieren.
  • Ein Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Elements 50 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 ist in 16 in einer schematischen Schnittansicht dargestellt. Dieses thermoelektrische Element 50 weist ein erstes Wandungselement 136 und ein dem ersten Wandungselement 136 gegenüberliegendes zweites Wandungselement 138 auf. Das erste Wandungselement 136 kontaktiert flächig das erste Wärmeübertragungselement 16 und das zweite Wandungselement 138 kontaktiert flächig das zweite Wärmeübertragungselement 18 (oder umgekehrt).
  • Das erste Wärmeübertragungselement 16, das zweite Wärmeübertragungselement 18, das erste Wandungselement 136 und das zweite Wandungselement 138 sind jeweils aus einem Material mit hoher und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit gebildet.
  • Das erste Wandungselement 136 und das zweite Wandungselement 138 weisen insbesondere ebene Seiten auf.
  • Das erste Wandungselement 136 und das zweite Wandungselement 138 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt.
  • In einem zwischen dem ersten Wandungselement 136 und dem zweiten Wandungselement 138 gebildeten Innenraum 140 sind beispielsweise alternierend n-Leiter 142 und p-Leiter 144 angeordnet, wobei benachbarte n-Leiter 142 und p-Leiter 144 über eine elektrisch leitende Brücke 146 elektrisch wirksam miteinander verbunden sind. Die Brücke 146 ist beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt.
  • Zwischen dem ersten Wandungselement 136 und dem zweiten Wandungselement 138 liegt im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 eine Temperaturdifferenz und/oder ein Wärmestrom an (angedeutet durch einen Pfeil 148 in 16). Über den Seebeck-Effekt kann daraus ein nutzbarer elektrischer Strom generiert werden.
  • Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 funktioniert wie folgt:
    • Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 wird durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung 12 ein erster Mediumstrom, beispielsweise ein Kaltmediumstrom, geführt und durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 ein zweiter Mediumstrom, beispielsweise ein Heißmediumstrom, geführt.
  • Die in dem Strömungsraum 62 der ersten Wärmeübertragungseinrichtung 12 angeordneten ersten Wärmeübertragungselemente 16 werden von dem Kaltmediumstrom umströmt. Es bildet sich dadurch an den ersten Wärmeübertragungselementen 16 und/oder an den mit den ersten Wärmeübertragungselementen 16 in thermischem Kontakt stehenden ersten Wandungselementen 136 der thermoelektrischen Elemente 50 eine Kaltseite aus.
  • Der durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung 14 geführte Heißmediumstrom durchströmt die zweiten Wärmeübertragungselemente 18. Es bildet sich dadurch an den zweiten Wärmeübertragungselementen 18 und/oder an den mit den zweiten Wärmeübertragungselementen 18 in thermischem Kontakt stehenden zweiten Wandungselementen 138 der thermoelektrischen Elemente 50 eine Heißseite aus.
  • Infolgedessen bildet sich eine Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Wandungselement 136 und dem zweiten Wandungselement 138, was einen Wärmestrom von dem zweiten Wandungselement 138 zu dem ersten Wandungselement 136 zur Folge hat.
  • Mittels der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 wird dadurch über den Seebeck-Effekt ein nutzbarer elektrischer Strom generiert.
  • Bezugszeichenliste
    • L1
    Routenlänge
    L2
    Routenlänge
    A1
    Abstand
    10
    thermoelektrische Generatorvorrichtung
    12
    erste Wärmeübertragungseinrichtung
    14
    zweite Wärmeübertragungseinrichtung
    16
    erstes Wärmeübertragungselement
    18
    zweites Wärmeübertragungselement
    20
    thermoelektrische Moduleinrichtung
    22
    thermoelektrische Einheit
    24
    Kombination
    26
    Längsmittelachse
    28
    radiale Richtung
    30
    Zwischenraum
    32
    Wandungselement
    34
    Innenraum
    36
    Eckbereich
    38
    Verbindungselement
    40
    Kantenbereich
    42
    Wandungselement
    44
    Innenraum
    46
    Eckbereich
    48
    Kantenbereich
    50
    thermoelektrisches Element
    52
    Strömungsraum
    54
    Oberflächenvergrößerungsstruktur
    56
    Mittelbereich
    58
    Wärmeübertragungsgehäuse
    60
    Innenraum
    62
    Strömungsraum
    64
    Längsmittelachse
    66
    Eingangseinrichtung
    68
    erster Endbereich
    70
    Ausgangseinrichtung
    72
    zweiter Endbereich
    74
    erstes Wandungselement
    76
    zweites Wandungselement
    78
    drittes Wandungselement
    80
    Endbereich
    82
    Schutzglaselement
    83
    Dichtungseinrichtung
    84
    Mittelpunkt
    86
    Oberflächenvergrößerungsstruktur
    88
    Leiteinrichtung
    90
    Leitblech
    92
    Zwischenraum
    94
    Haupt-Strömungsrichtung
    96
    Haupt-Strömungsrichtung
    98
    Umgehungseinrichtung
    100
    Umgehungselement
    102
    Mittelbereich
    104
    Längsmittelachse
    106
    Strömungsraum
    108
    Seite
    110
    Spanneinrichtung
    112
    Aufnahmeelement
    114
    Schraubenelement
    116
    Spannelement
    118
    Seite
    120
    Oberflächenvergrößerungsstruktur
    122
    Pfeil
    124
    Spanneinrichtung
    125
    Wärmeübertragungsgehäuse
    126
    Innenraum
    128
    Oberflächenvergrößerungsstruktur
    130
    Schraubenelement
    132
    Ausgleichselement
    134
    Verbindungselement
    136
    erstes Wandungselement
    138
    zweites Wandungselement
    140
    Innenraum
    142
    n-Leiter
    144
    p-Leiter
    146
    Brücke
    148
    Pfeil
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011114102 B4 [0003]
    • DE 102012113229 A1 [0004]
    • EP 3020077 B1 [0005]
    • EP 2854190 B1 [0006]
    • DE 102009058676 A1 [0007]

Claims (20)

  1. Thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine erste Wärmeübertragungseinrichtung (12), eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung (14) und eine thermoelektrische Moduleinrichtung (20), wobei die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) mindestens ein erstes Wärmeübertragungselement (16) aufweist, wobei dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) ein zweites Wärmeübertragungselement (18) der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (14) zugeordnet ist, wobei das zweite Wärmeübertragungselement (18) zumindest abschnittsweise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements (16) angeordnet ist und wobei zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) und dem zweiten Wärmeübertragungselement (18) eine thermoelektrische Einheit (22) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement (16) und/oder das zweite Wärmeübertragungselement (18) zumindest abschnittsweise als geometrisches Prisma ausgebildet sind, wobei eine Grundfläche des Prismas als Polygon mit einer Kantenlänge (L1; L2) von höchstens 70 mm ausgebildet ist.
  2. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polygon ein Hexagon ist.
  3. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma zumindest abschnittsweise ein gerades Prisma ist und/oder dass die Grundfläche des Prismas ein regelmäßiges Polygon ist.
  4. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kantenlänge (L1; L2) des Polygons mindestens 15 mm und/oder höchstens 50 mm beträgt.
  5. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von ersten Wärmeübertragungselementen (16) vorgesehen ist, wobei innerhalb der ersten Wärmeübertragungselemente (16) jeweils ein zweites Wärmeübertragungselement (18) angeordnet ist.
  6. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass voneinander verschiedene erste Wärmeübertragungselemente (16) jeweils zueinander benachbart angeordnet sind, wobei jeweilige Längsmittelachsen (26) der einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselemente (16) zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind und/oder wobei jeweilige Wandungselemente (32) der einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselemente (16) zumindest näherungsweise parallel zueinander orientiert sind.
  7. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein kürzester Abstand (A1) zwischen einander benachbarten ersten Wärmeübertragungselementen (16) mindestens 1 mm und/oder höchstens 10 mm beträgt.
  8. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung mit einem Kaltmediumstrom ist und/oder dass die zweite Wärmeübertragungseinrichtung (14) eine Heißwärmeübertragungseinrichtung zur Durchströmung mit einem Heißmediumstrom ist.
  9. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 oder nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) einen Strömungsraum (62) zur Durchströmung der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) mit einem Mediumstrom aufweist und dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement (16) von einem durch den Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) geführten Mediumstrom umströmbar ist oder umströmt wird.
  10. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere erste Wärmeübertragungselemente (16) dem Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) zugeordnet sind und/oder dass mehrere erste Wärmeübertragungselemente (16) von einem durch den Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) geführten Mediumstrom umströmbar sind oder umströmt werden.
  11. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) räumlich zusammenhängend ausgebildet ist.
  12. Thermoelektrische Generatorvorrichtung einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) begrenzter Innenraum (34) gegenüber dem Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) fluiddicht abgedichtet ist.
  13. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) ein Wärmeübertragungsgehäuse (58; 125) aufweist, wobei in einem Innenraum (60) des Wärmeübertragungsgehäuses (58; 125) der Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) gebildet ist.
  14. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement (16) in dem Innenraum (60) des Wärmeübertragungsgehäuses (58; 125) angeordnet ist und/oder sich durch den Innenraum (60) des Wärmeübertragungsgehäuses (58; 125) erstreckt.
  15. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder in einem Innenraum (60) eines Wärmeübertragungsgehäuses (58; 125) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12), in welchem der Strömungsraum (62) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) gebildet ist, eine Leiteinrichtung (88) zur Steuerung und/oder Regelung eines Strömungspfads eines durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) geführten Mediumstroms angeordnet ist.
  16. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Wärmeübertragungselement (18) und/oder die thermoelektrische Einheit (22) innerhalb eines von dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) begrenzten Innenraums (34) angeordnet sind.
  17. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Strömungsraum (58) der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) zur Durchströmung der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) mit einem Mediumstrom eine Oberflächenvergrößerungsstruktur (54; 128) angeordnet ist und/oder dass in einem Strömungsraum (52) der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (14) zur Durchströmung der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (14) mit einem weiteren Mediumstrom eine Oberflächenvergrößerungsstruktur (86) angeordnet ist.
  18. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenvergrößerungsstruktur (86) ein poröses Medium und insbesondere ein metallisches poröses Medium umfasst.
  19. Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Wärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (14) eine Umgehungseinrichtung (98) für Fluid zugeordnet ist, mittels welcher sich ein durch die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) und/oder durch die zweite Wärmeübertragungseinrichtung (14) geführter Mediumstrom zumindest teilweise an der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) vorbeileiten lässt.
  20. Verfahren zur Herstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, umfassend eine erste Wärmeübertragungseinrichtung (12), eine zweite Wärmeübertragungseinrichtung (14) und eine thermoelektrische Moduleinrichtung (20), wobei die erste Wärmeübertragungseinrichtung (12) mindestens ein erstes Wärmeübertragungselement (16) aufweist und wobei dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) ein zweites Wärmeübertragungselement (18) der zweiten Wärmeübertragungseinrichtung (14) zugeordnet ist, bei dem das zweite Wärmeübertragungselement (18) zumindest abschnittsweise innerhalb des mindestens einen ersten Wärmeübertragungselements (16) angeordnet wird und zwischen dem mindestens einen ersten Wärmeübertragungselement (16) und dem zweiten Wärmeübertragungselement (18) eine thermoelektrische Einheit (22) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) angeordnet wird, wobei das mindestens eine erste Wärmeübertragungselement (16) und/oder das zweite Wärmeübertragungselement (18) zumindest abschnittsweise als geometrisches Prisma ausgebildet sind, und wobei eine Grundfläche des Prismas als Polygon mit einer Kantenlänge (L1; L2) von höchstens 70 mm ausgebildet ist.
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