DE112013000620T5

DE112013000620T5 - Integrierter Katalysator/Thermoelektrischer Generator

Info

Publication number: DE112013000620T5
Application number: DE112013000620.0T
Authority: DE
Inventors: Marco Ranalli; John LaGrandeur
Original assignee: Gentherm Inc
Current assignee: Gentherm Inc
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2013-01-18
Publication date: 2014-10-16
Also published as: WO2013109988A8; WO2013109988A2; WO2013109988A3; US20130186448A1

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein thermoelektrisches System bereitgestellt, das mindestens eine rohrförmige Leitung aufweist, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine rohrförmige Leitung strömt. Mehrere thermoelektrische Elementen können mit der mindestens einen rohrförmigen Leitung thermisch gekoppelt sein. Ein Wärmetauscher, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist, ist dafür konfiguriert, mit mindestens einem zweiten Fluid thermisch gekoppelt zu sein und mindestens einen Abschnitt der rohrförmigen Leitung und der mehreren thermoelektrischen Elemente zu umschließen. Der Wärmetauscher kann mindestens eine Beschichtung aufweisen, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des zweiten Fluids zu katalysieren.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 20. Januar 2012 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/589088, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die vorliegende Anmeldung ist auch mit der am 5. Juni 2012 eingereichten US-Anmeldung Nr. 13/498237 mit dem Titel ”Cartridge-Based Thermoelektric Systems” verwandt, die die Priorität der 6. Juni 2011 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/493871, der am 6. Juni 2011 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/493926, der am 6. Juni 2011 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/493935 und der am 2. Dezember 2011 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/566194 beansprucht, die hierin jeweils in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen sind. Die vorliegende Anmeldung ist auch mit der am 5. Juni 2012 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 13/489192, mit dem Titel ”Systems and Method for Reducing Current and Increasing Voltage in Thermoelectric Systems” verwandt, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die vorliegende Anmeldung ist auch mit der am 5. Juni 2012 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 13/488989 mit dem Titel ”Thermoelectric Devices With Reduction of Interfacial Losses” verwandt, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist. Die vorliegende Anmeldung ist außerdem mit der am 26. Juli 2010 eingereichten US-Patentanmeldung Nr. 12/843804 mit dem Titel ”Thermoelectric-Based Power Generation Systems and Methods” verwandt.
HINTERGRUND
Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein thermoelektrische Kühl-, Heiz- und Stromerzeugungssysteme.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Thermoelektrische(TE)-Module (z. B. quadratische 40 mm × 40 mm-Module) sind als Nischenprodukte für spezifische Heiz- und Kühlanwendungen hergestellt worden. Diese Module weisen TE-Materialien auf, die mit Elektroden verbunden und zwischen zwei Keramiksubstraten sandwichartig angeordnet sind. Diese Module sind als Bausteine für thermoelektrische Vorrichtungen und Systeme verwendet worden. Sie sind oft mit Wärmetauschern verbunden worden, die zwischen einer warmen und einer kalten (oder einer Verlust- und einer Haupt-)Seite sandwichartig angeordnet sind. Oft ist der durch die keramischen Substrate des Moduls sowie durch das zum Verbinden dieser Substrate mit den Wärmetauschern verwendete Grenzflächenmaterial erzeugte thermische Widerstand ziemlich groß und wirkt sich ziemlich nachteilig auf die Leistungsfähigkeit der thermoelektrischen Vorrichtung aus. Darüber hinaus ist für TE-Anwendungen, in denen eine Flüssigkeit in ein Gas umgewandelt wird, die Gasseite häufig einer der wesentlichen begrenzenden Faktoren. Es ist oft schwierig, eine Konstruktion mit einer ausreichend großen Wärmeübertragungsfläche bereitzustellen, um die niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten des Gases im Vergleich zu denjenigen der Flüssigkeit zu kompensieren. Dies bewirkt eine Impedanzfehlanpassung für die TE-Vorrichtung, was wiederum zu einer Verminderung der Leistungsfähigkeit führt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung wird ein thermoelektrisches System bereitgestellt, das mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung aufweist. Die mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung ist dafür konfiguriert, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung strömt. Das thermoelektrische System weist mehrere thermoelektrische Elemente auf, die mit der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind. Das thermoelektrische System weist mindestens einen Wärmetauscher auf, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist. Der mindestens eine Wärmetauscher ist dafür konfiguriert, mit mindestens einem zweiten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das entlang des mindestens einen Wärmetauschers strömt. Der mindestens eine Wärmetauscher umschließt allgemein mindestens einen Abschnitt der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung und mindestens einen Abschnitt der mehreren thermoelektrischen Elemente. Der mindestens eine Wärmetauscher weist mindestens eine Beschichtung auf, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren.
Durch die Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems bereitgestellt. Das thermoelektrische System weist mindestens eine Kühlmittelleitung auf, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine Kühlmittelleitung strömt. Das thermoelektrische System weist mehrere thermoelektrische Elemente auf, die mit der mindestens einen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind. Das thermoelektrische System weist mindestens einen Wärmetauscher auf, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist. Das Verfahren zum Betreiben des thermoelektrischen Systems weist das Erzeugen einer Strömung mindestens eines zweiten Fluids in thermischer Kopplung mit dem mindestens einen Wärmetauscher auf. Der mindestens eine Wärmetauscher weist mindestens eine Beschichtung auf, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren. Das Verfahren zum Betreiben des thermoelektrischen Systems weist das Zuführen mindestens eines Stroms zu den mehreren thermoelektrischen Elementen auf, so dass der mindestens eine Wärmetauscher durch die mehreren thermoelektrischen Elemente erwärmt oder gekühlt wird.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen System eines Fahrzeugs bereitgestellt. Das thermoelektrische System weist einen Hauptmotor und mindestens eine Kühlmittelleitung auf, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine Kühlmittelleitung strömt. Das thermoelektrische System weist mehrere thermoelektrische Elemente auf, die mit der mindestens einen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind. Das thermoelektrische System weist mindestens einen Wärmetauscher auf, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist. Das Verfahren zum Betreiben des thermoelektrischen Systems weist das Erzeugen einer Strömung mindestens eines zweiten Fluids auf, das mit dem mindestens einen Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist. Das mindestens eine zweite Fluid weist mindestens während eines Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist, einen Brennstoff auf. Der mindestens eine Wärmetauscher weist mindestens eine Beschichtung auf, die dafür konfiguriert ist, eine katalytische Verbrennung mindestens eines Teils des Brennstoffs in Gang zu setzen. Das Verfahren zum Betreiben des thermoelektrischen Systems weist die Verwendung der katalytischen Verbrennung zum Zuführen von Wärme zu einem Abschnitt der mehreren thermoelektrischen Elemente während mindestens eines Zeitabschnitts auf, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist, so dass die mehreren thermoelektrischen Elementen elektrische Energie erzeugen.
In den vorstehenden Absätzen sind verschiedenen Merkmale und Konfigurationen einer thermoelektrischen Einheit und/oder eines thermoelektrischen Systems dargestellt worden, die von den Erfindern in Betracht gezogen worden sind. Es versteht sich, dass die Erfinder auch thermoelektrische Einheiten und thermoelektrische Systeme in Betracht ziehen, die Kombinationen dieser Merkmale und Konfigurationen aus den vorstehenden Absätzen aufweisen, sowie thermoelektrische Einheiten und thermoelektrische Systeme, die Kombinationen dieser Merkmale und Konfigurationen aus den vorstehenden Absätzen zusammen mit anderen Merkmalen und Konfigurationen aufweisen, die in den folgenden Absätzen beschrieben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die beigefügten Zeichnungen zeigen verschiedene Konfigurationen zur Erläuterung und sollen in keiner Weise als den Umfang der hierin beschriebenen thermoelektrischen Einheiten oder Systeme einschränkend interpretiert werden. Darüber hinaus können verschiedene Merkmale der verschiedenen dargestellten Konfigurationen miteinander kombiniert werden, um weitere Konfigurationen zu erhalten, die ebenfalls Teil dieser Erfindung sind. Jedes Merkmal oder jede Struktur kann entfernt, verändert oder weggelassen werden. In den Zeichnungen werden Bezugszeichen gegebenenfalls wiederholt verwendet, um sich entsprechende Komponenten oder Elemente darzustellen.
1A zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer beispielhaften thermoelektrischen Einheit, die dafür konfiguriert ist, mit einer rohrförmigen Fluidleitung thermisch gekoppelt zu sein, die dafür derart konfiguriert ist, dass ein erstes Fluid in einer Richtung durch die Leitung strömen kann;
1B zeigt schematisch eine Teil-Seitenansicht eines Axialschnitts durch die beispielhafte thermoelektrische Einheit von 1A in einer Ebene senkrecht zu der einen Richtung;
1C zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines weiteren Konfigurationsbeispiels mindestens eines Nebenschlusses, dessen Innenabschnitt mehrere voneinander beabstandete Platten aufweist;
1D zeigt schematisch eine Vorderansicht einer beispielhaften thermoelektrischen Einheit mit dem mindestens einen Nebenschluss, der einen Außenringabschnitt, einen Innenabschnitt mit mehreren Platten und mit den Platten verbundene thermoelektrische Elemente aufweist;
1E zeigt schematisch mehrere beispielhafte thermoelektrische Einheiten mit mindestens einem Wärmetauscher mit allgemeinen tropfenförmigen Lamellen;
2A zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels einer thermoelektrischen Einheit mit dem mindestens einen Nebenschluss mit einem Außenringabschnitt und einen Innenabschnitt mit mehreren Platten, die durch Schlitze voneinander beabstandet sind;
2B zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht mindestens eines Wärmetauschers mit mehreren Lamellen und einem durch Hartlöten an den Lamellen befestigten Ring oder Rohr;
2C zeigt schematisch ein weiteres Konfigurationsbeispiel einer thermoelektrischen Einheit mit dem mindestens einen Nebenschluss, der mehrere Platten aufweist;
2D zeigt schematisch einen beispielhaften Nebenschluss mit vier Abschnitten mit Spalten oder Schlitzen zwischen den Abschnitten zum elektrischen Isolieren der Abschnitte voneinander;
2E zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System mit mehreren thermoelektrischen Einheiten gemäß den 2C und 2D;
3 zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines weiteren Konfigurationsbeispiels, in dem jeder Einsatz mit dem Rest des Nebenschlusses thermisch gekoppelt aber vom Rest des Nebenschlusses elektrisch isoliert ist;
4 zeigt schematisch ein Konfigurationsbeispiel eines zylinderförmigen Rohrs, das den mindestens einen Wärmetauscher für mehrere thermoelektrische Einheiten bereitstellt;
5A zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Systems (z. B. einer Kartusche);
5B zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines Teils des beispielhaften thermoelektrischen Systems von 5A;
6A zeigt schematisch ein weiteres beispielhaftes thermoelektrisches System (z. B. eine Kartusche);
6B zeigt schematisch eine perspektivische Querschnittansicht des beispielhaften thermoelektrischen Systems von 6A;
7A zeigt schematisch ein Beispiel mehrerer Kartuschen, das mit den beispielhaften thermoelektrischen Einheiten und mit dem beispielhaften thermoelektrischen System der 1–3, 5 und 6 kompatibel ist, innerhalb eines Gehäuses;
7B zeigt schematisch das Beispiel mehrerer Kartuschen von 7A, wobei eine der Kartuschen in einer Querschnittansicht dargestellt ist;
7C zeigt schematisch ein Beispiel mehrerer Kartuschen, das mit den beispielhaften thermoelektrischen Einheiten und mit dem beispielhaften thermoelektrischen System von 4 kompatibel ist, innerhalb eines Gehäuses;
7D bis 7G zeigen schematisch eine Endansicht eines Beispiels mehrerer Kartuschen mit mehreren Leitelementen in verschiedenen Konfigurationen;
8A zeigt schematisch mindestens eine beispielhafte elektrische Leitung mit einem mit der Leitung koaxialen rohrförmigen Abschnitt;
8B zeigt schematisch mindestens ein Beispiel einer Feder zwischen den mehreren thermoelektrischen Elementen und einer ersten Kappe und/oder einer zweiten Kappe;
8C und 8D zeigen schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System mit einer Fluidleitung mit einem inneren Rohr und einem äußeren Rohr, die miteinander thermisch gekoppelt sind;
8E bis 8G zeigen schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System mit einer Fluidleitung mit einer oder mehreren Vertiefungen und mindestens einem Nebenschluss mit mindestens einem Vorsprung, der sich in eine entsprechende Vertiefung der Fluidleitung erstreckt;
9A bis 9D zeigen schematisch verschiedene Ansichten eines beispielhaften thermoelektrischen Systems, in dem der elektrische Strompfad sich einmal durch jede thermoelektrische Einheit und jeden zweiten Nebenschluss erstreckt;
10A bis 10D zeigen schematisch verschiedene Ansichten eines weiteren beispielhaften thermoelektrischen Systems, in dem der elektrische Strompfad sich zweimal durch jede thermoelektrische Einheit und jeden zweiten Nebenschluss erstreckt;
11A zeigt schematisch den mindestens einen Wärmetauscher benachbarter thermoelektrischer Einheiten, die durch mindestens ein elastisches Element mechanisch miteinander verbunden sind;
11B und 11C zeigen schematisch beispielhafte elastische Elemente, die mindestens einen Balg aufweisen, der mit der ersten und der zweiten thermoelektrischen Einheit mechanisch verbunden und in einer regulären Konfiguration (11B) oder in einer umgekehrten Konfiguration (11C) montiert ist;
11D und 11E zeigen schematisch beispielhafte Bälge, die als ein einziges einheitliches Stück derart ausgebildet sind, dass sie eine oder mehrere Falten aufweisen;
11F–11I zeigen schematisch beispielhafte elastische Elemente, die mindestens einen elektrisch isolierenden Abschnitt aufweisen, der mit den benachbarten thermoelektrischen Einheiten mechanisch verbunden ist;
12A zeigt schematisch eine perspektivische Explosionsansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Systems zum Darstellen eines beispielhaften Herstellungsprozesses zum Herstellen des thermoelektrischen Systems, und die 12B bis 12D zeigen schematisch einen beispielhaften Balg, einen beispielhaften zweiten Nebenschluss bzw. eine beispielhafte thermoelektrische Einheit;
13 zeigt schematisch einen zylinderförmigen thermoelektrischen Generator (TEG) und die Einfügung in 13 zeigt schematisch eine beispielhafte lineare thermoelektrische Einheit, die zum Herstellen eines derartigen zylinderförmigen TEG verwendbar ist;
14A–14C zeigen schematisch verschiedene Ansichten einer beispielhaften thermoelektrischen Einheit;
15 zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System, in dem mindestens einige der thermoelektrischen Einheiten in einer allgemeinen kreisförmigen Konfiguration angeordnet sind;
16A zeigt schematisch eine beispielhafte thermoelektrische Einheit mit zwei Stapeln an gegenüberliegenden Seiten der mittigen ersten Fluidleitung;
16B zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System mit mehreren thermoelektrischen Einheiten, die mit den 14A–14C kompatibel sind;
16C zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System mit mehreren thermoelektrischen Einheiten, die mit 16A kompatibel sind;
17 zeigt schematisch eine beispielhafte Einbaukonfiguration eines thermoelektrischen Systems mit einem Satz von mehreren thermoelektrischen Einheiten für ein Fahrzeugabgasanwendung;
18 zeigt schematisch eine beispielhafte Einbaukonfiguration eines thermoelektrischen Systems mit zwei Sätzen von mehreren thermoelektrischen Einheiten für eine Fahrzeugabgasanwendung, wobei die beiden Sätze in Reihe angeordnet sind;
19 zeigt schematisch eine beispielhafte Einbaukonfiguration eines thermoelektrischen Systems für eine Fahrzeugabgasanwendung, wobei das Abgas quer zu den thermoelektrischen Einheiten strömt;
20 zeigt schematisch eine beispielhafte thermoelektrische Einheit mit einer Fluidleitung mit einer flachen Oberfläche und einem Gehäuse, das die thermoelektrischen Elemente hermetisch einschließt;
21 zeigt schematisch eine Endansicht der beispielhaften thermoelektrischen Einheit von 20;
22 zeigt schematisch ein beispielhaftes Gehäuse mit mehreren sich entlang der Breite des Gehäuses erstreckenden Falten;
23A und 23B zeigen schematisch beispielhafte thermoelektrische Systeme mit jeweils vier thermoelektrischen Einheiten gemäß der beispielhaften thermoelektrischen Einheit der 20–22;
24 zeigt schematisch beispielhafte Druckkräfte in einem thermoelektrischen System, das mehrere thermoelektrische Einheiten gemäß der beispielhaften thermoelektrischen Einheit der 20–22 aufweist;
25A zeigt schematisch radial verbundene beispielhafte thermoelektrische Elemente in einer Stonehenge-Konfiguration;
25B zeigt schematisch axial verbundene beispielhafte thermoelektrische Elemente in einer Stonehenge-Konfiguration;
26A und 26B zeigen schematisch beispielhafte modulare Konstruktionen, bei denen die thermoelektrischen Elemente so angeordnet sind, dass die Wärmeübertragung und der Stromfluss durch die Elemente im allgemeinen in einer Umfangsrichtung erfolgen;
27A zeigt schematisch einen Teil beispielhafter warmseitiger Wärmetauscherlamellen (dunkel schraffierter Abschnitt), die eine Wulstschweißnaht in der Nähe des größten Durchmessers der Lamellenstruktur aufweisen;
27B zeigt schematisch ein biegsames Element mit einem äußeren Gehäuse, das ein Rohr mit Biegungen darin ist, so dass jeder warmseitige Nebenschluss sich bezüglich anderen inneren Elementen unabhängig bewegen kann;
28A zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren zum Schützen des Generatorsystems vor übermäßigen warmseitigen Fluidtemperaturen;
28B zeigt schematisch ein Konfigurationsbeispiel für warmseitige innere Wärmeaustauschelemente, die verwendet werden können, um die in 27B dargestellte Wärmetauscherstruktur herzustellen;
29A zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie) für eine thermoelektrische Vorrichtung und im gleichen Diagramm den Strom als Funktion des warmseitigen Wärmestroms (Q_H-I-Kennlinie);
29B zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren für einen Übertemperaturschutz mit einem temperaturaktiven warmseitigen Wärmeleiter;
29C zeigt schematisch ein beispielhaftes Verfahren für einen Übertemperaturschutz mit einer thermisch aktiven Zwischenscheibe;
30A zeigt schematisch einen kaltseitigen Wärmetauscher, in dem die Leitung ein Rohr mit einem Einlass an einem Ende, einem Auslass am anderen Ende und internen Wärmeaustauschverstärkungsmerkmalen ist;
30B zeigt schematisch ein beispielhaftes Rohr in einer Rohrkonfiguration, bei der die kaltseitigen Fluideinlässe und -auslässe sich vom gleichen Ende erstrecken;
30C zeigt schematisch ein beispielhaftes, allgemein U-förmiges kaltseitiges Wärmetauschersystem, bei dem der Einlass und der Auslass am gleichen Ende, aber nicht allgemein koaxial angeordnet sind;
31 zeigt schematisch eine beispielhafte Anwendung eines mit einem Abgas eines Motors thermisch gekoppelten TEG;
32A bis 32D zeigen schematisch eine Draufsicht, eine Teilansicht und perspektivische Ansichten eines anderen beispielhaften thermoelektrischen Systems;
33 zeigt schematisch das stromaufwärts von einem Katalysator angeordnete thermoelektrische System der 32A–32D;
34 zeigt schematisch das stromabwärts von einem Katalysator angeordnete thermoelektrisches System der 32A–32D;
35 zeigt schematisch das in einer separaten Leitung von einem Katalysator angeordnete thermoelektrische System der 32A–32D;
36 zeigt schematisch ein weiteres beispielhaftes thermoelektrisches System;
37A–37B zeigen schematisch eine Teilansicht beispielhafter Wärmetauscherlamellen eines thermoelektrischen Systems;
38A–38B zeigen schematisch eine Teilansicht beispielhafter Wärmetauscherlamellen eines thermoelektrischen Systems;
39 zeigt schematisch ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems; und
40 zeigt schematisch ein beispielhaftes Ablaufdiagramm eines anderen Verfahrens zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl hierin bestimmte Konfigurationen und Beispiele dargestellt werden, erstreckt sich der Gegenstand der Erfindung über die Beispiele der spezifisch dargestellten Konfigurationen hinaus auf andere alternative Konfigurationen und/oder Anwendungen und auf Modifikationen und Äquivalente davon. Daher ist der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche nicht durch irgendeine der nachstehend beschriebenen spezifischen Konfigurationen eingeschränkt. Beispielsweise können in jedem Verfahren oder Prozess, das/der hierin beschrieben ist, die Verarbeitungen oder Arbeitsschritte des Verfahrens oder Prozesses in einer beliebigen geeigneten Folge ausgeführt werden und sind nicht notwendigerweise auf eine bestimmte dargestellte Folge beschränkt. Verschiedene Arbeitsschritte können auf eine Weise als mehrere aufeinanderfolgende diskrete Arbeitsschritte beschrieben sein, die für das Verständnis bestimmter Konfigurationen hilfreich sein kann; die Reihenfolge der Beschreibung sollte nicht so verstanden werden, dass diese Arbeitsschritte von der Folge abhängig sind. Außerdem können die hierin beschriebenen Strukturen, Systeme und/oder Vorrichtungen als integrierte Komponenten oder als separate Komponenten konfiguriert sein. Zum Zwecke des Vergleichs verschiedener Konfigurationen sind bestimmte Aspekte und Vorteile dieser Konfigurationen beschrieben. Durch eine bestimmte Konfiguration werden nicht unbedingt alle derartigen Aspekte und Vorteile erzielt. So können zum Beispiel verschiedene Konfigurationen auf eine Weise implementiert werden, durch die ein Vorteil oder eine Gruppe von Vorteilen erzielt oder optimiert wird, wie hierin dargestellt ist, ohne dass unbedingt andere Aspekte oder Vorteile erzielt werden, die ebenfalls hierin dargestellt oder vorgeschlagen sein können.
Ein hierin beschriebenes thermoelektrisches System kann ein thermoelektrischer Generator (TEG) sein, der den Temperaturunterschied zwischen zwei Fluids nutzt, um elektrische Energie über thermoelektrische Materialien zu erzeugen. Alternativ kann ein hierin beschriebenes thermoelektrisches System eine Heiz- und/oder eine Kühleinrichtung sein, die als eine Halbleiterwärmepumpe dient, die dazu verwendet wird, Wärme von einem Fluid auf ein anderes zu übertragen, wodurch eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Fluids über die thermoelektrischen Materialien erzeugt wird. Jedes der Fluids kann flüssig, gasförmig oder eine Kombination davon sein, und die beiden Fluids können beide flüssig oder beide gasförmig sein oder eines kann flüssig und das andere gasförmig sein.
Das thermoelektrische System kann in Abhängigkeit von der Verwendung, der Ausgangsleistung, der Heiz-/Kühlleistung, der Leistungszahl (COP) oder der Spannung eine einzelne thermoelektrische Einheit (z. B. eine einzelne Kartusche) oder eine Gruppe thermoelektrischer Einheiten (z. B. eine Gruppe von Kartuschen) sein. Obwohl die hierin beschriebenen Beispiele in Verbindung mit einem Stromgenerator oder einem Heiz-/Kühlsystem beschrieben werden, können die beschriebenen Merkmale sowohl auf einen Stromgenerator als auch auf ein Heiz-/Kühlsystem angewendet werden.
Da die thermoelektrische Einheit und das thermoelektrische System erheblichen Temperaturunterschieden (beispielsweise bis zu 600°C) ausgesetzt sein können, werden hierin viele Merkmale beschrieben, die eine Wärmeausdehnung und eine Entlastung für die Abschnitte der thermoelektrischen Einheiten, des Kompressorsystems, des Hauptträgers und des Spannungsanschlusses ermöglichen.
Bestimmte hierin beschriebene Beispiele thermoelektrischer Einheiten und Systeme können leistungsfähiger sein als andere Konfigurationen und können eine Möglichkeit für eine Modularität bieten, die es bislang noch nicht gab, so dass ein Weg für eine kostengünstigere Fertigung und eine Verwendbarkeit für mehr Anwendungen und Einbaugrößen eröffnet wird.
Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme können auch in Heiz-, Kühl- oder Stromzeugungsmodi für eine Anwendung verwendet werden. Es gibt Prozesse, die eine Temperaturregelung (Heizung und Kühlung) während bestimmter Betriebsphasen (wie beispielsweise beim Aufwärmen) verwenden, aber dann in anderen Betriebsphasen eine Temperaturdifferenz bereitstellen, um eine effektive Stromerzeugung bereitzustellen. Heizung und Kühlung können wiederum genutzt werden, um Störungen, wie beispielsweise Überhitzung, beschleunigte Alterung oder eine niedrige Leistung, aufgrund niedriger Temperaturen zu verhindern. Konfigurationsbeispiele, die eine modulare Konfiguration verwenden, können Mittel zum Integrieren des thermoelektrischen Systems (z. B. Kartusche) in einem Mantel und zum Verwenden rohrförmiger Wärmetauscher bereitstellen, die ideal in Prozesse mit einem derartigen Bereich von Betriebsphasen passen könnten. Thermoelektrik kann dann eine spezifische Lösung in ihrer Fähigkeit bieten, eine Heizfunktion, eine Kühlfunktion und eine Stromerzeugungsfunktion bereitzustellen.
Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Systeme bieten einen neuen modulare Ansatz für thermoelektrische Heizung und Kühlung und thermoelektrische Stromerzeugung. Diese neuen Module oder Kartuschen können die warmen und kalten Wärmeübertragungsflächen enthalten und können das thermoelektrische Material direkter in die Wärmetauscher integrieren. Diese direktere Integration kann thermische Widerstände reduzieren, wodurch die Leistung (z. B. COP oder maximale Temperaturdifferenz) des thermoelektrischen Systems verbessert wird.
Durch die Verwendung des Gases auf der Mantelseite und der Flüssigkeit auf der Rohrseite, können bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Systeme mit mit Lamellen versehenen äußeren Rohren eine viel größere Wärmeübertragungsfläche auf der Gasseite als andere herkömmliche thermoelektrische Systeme bereitstellen. Bestimmte derartige Konfigurationen können eine Fehlanpassung der thermischen Impedanz zwischen der Gas- und der Flüssigkeitsseite des thermoelektrischen Systems vermindern oder verhindern.
Die hierin verwendeten Begriffe ”Nebenschluss” und ”Wärmetauscher” sollen in ihrem breitesten Sinn zweckmäßig interpretiert werden, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, als eine Komponente (z. B. eine wärmeleitfähige Vorrichtung oder ein wärmeleitfähiges Material), die einen Wärmefluss von einem Teil der Komponente zu einem anderen Teil der Komponente ermöglicht. Nebenschlüsse können mit einem oder mehreren thermoelektrischen Materialien (z. B. mit einem oder mehreren thermoelektrischen Elemente) thermisch gekoppelt sein und mit einem oder mehreren Wärmetauschern der thermoelektrischen Einheit oder des thermoelektrischen Systems thermisch gekoppelt sein. Hierin beschriebene Nebenschlüsse können auch elektrisch leitfähig und mit dem einen oder den mehreren thermoelektrischen Materialien elektrisch verbunden sein, um auch einen elektrischen Stromfluss von einem Abschnitt des Nebenschlusses zu einem anderen Abschnitt des Nebenschlusses zu ermöglichen (wodurch z. B. eine elektrische Verbindung zwischen mehreren thermoelektrischen Materialien oder Elementen hergestellt wird). Wärmetauscher können mit dem einen oder mit den mehreren Nebenschlüssen und mit einem oder mehreren Arbeitsfluids der thermoelektrischen Einheit oder des thermoelektrischen Systems thermisch gekoppelt sein. Es können verschiedene Konfigurationen eines oder mehrerer Nebenschlüsse und eines oder mehrerer Wärmetauscher verwendet werden (z. B. können ein oder mehrere Nebenschlüsse und ein oder mehrere Wärmetauscher Abschnitte desselben einheitlichen Elements sein, können ein oder mehrere Nebenschlüsse mit einem oder mehreren Wärmeaustauschern elektrisch verbunden sein, können ein oder mehrere Nebenschlüsse von einem oder mehreren Wärmetauschern elektrisch isoliert sein, können ein oder mehrere Nebenschlüsse mit den thermoelektrischen Elementen direkt thermisch gekoppelt sein, können ein oder mehrere Nebenschlüsse mit dem einen oder mehreren Wärmetauschern direkt thermisch gekoppelt sein und kann ein Zwischenmaterial zwischen dem einen oder mehreren Nebenschlüssen und dem einen oder mehreren Wärmetauschern angeordnet sein). Außerdem sind Begriffe wie ”kalt”, ”warm”, ”kälter”, ”wärmer” und dergleichen relative Begriffe und spezifizieren keine bestimmte Temperatur und keinen bestimmten Temperaturbereich.
Thermoelektrische Einheit
1A zeigt schematisch eine Explosionsansicht einer beispielhaften thermoelektrischen Einheit 10, die dafür konfiguriert ist, mit einer rohrförmigen oder allgemein rohrförmigen Fluidleitung (nicht dargestellt) thermisch gekoppelt zu sein, die derart konfiguriert ist, dass ein erstes Fluid entlang oder allgemein entlang einer Richtung durch die Leitung strömen kann, und 1B zeigt schematisch eine Teil-Seitenansicht eines Axialschnitts der beispielhaften thermoelektrischen Einheit 10 von 1A in einer Ebene senkrecht zu der Richtung. Obwohl die 1A und 1B eine beispielhafte Struktur der thermoelektrischen Einheit 10 zeigen, können zusätzlich oder alternativ zu den in den 1A und 1B verwendeten Merkmalen, Strukturen oder Konfigurationen auch andere Merkmale, Strukturen oder Konfigurationen verwendet werden, wie nachstehend näher beschrieben wird.
Die thermoelektrische Einheit 10 weist mindestens einen Nebenschluss 20 auf, der dafür konfiguriert ist, sich um die Leitung zu erstrecken. Die thermoelektrische Einheit 10 weist ferner mindestens ein erstes thermoelektrisches Element 30 auf, das mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden ist, und mindestens ein zweites thermoelektrisches Element 40, das mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden ist. Mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Nebenschlusses 20 ist zwischen dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 sandwichartig angeordnet. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element sind von der Leitung elektrisch isoliert. Die thermoelektrische Einheit 10 weist ferner mindestens einen Wärmetauscher 50 auf, der mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt und dafür konfiguriert ist, mit einem zweiten Fluid thermisch gekoppelt zu sein. Beispielsweise kann die Leitung eine sich in die Richtung erstreckende längliche Form haben, und der mindestens eine Nebenschluss 20 kann derart konfiguriert sein, dass er die Leitung im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung umschließt, und der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann derart konfiguriert sein, dass er die Leitung allgemeinen senkrecht zu der Richtung umschließt.
Der mindestens eine Nebenschluss 20 kann eine oder mehrere elektrisch und thermisch leitfähige Materialien aufweisen (z. B. Kupfer, Aluminium). Wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird, kann der mindestens eine Nebenschluss 20 ferner eine oder mehrere elektrisch isolierende (z. B. dielektrische) Materialien oder Schichten aufweisen, die dafür konfiguriert sind, eine elektrische Isolierung zwischen Komponenten der thermoelektrischen Einheit 10 bereitzustellen (z. B. um den mindestens einen Nebenschluss 20 von der Leitung elektrisch zu isolieren und/oder den mindestens einen Nebenschluss 20 von der Leitung thermisch zu isolieren). Obwohl die 1A und 1B einen einzelnen, einheitlichen ringförmigen Nebenschluss 20 zeigen, kann der mindestens eine Nebenschluss 20 gemäß anderen Konfigurationen mehrere Nebenschlüsse 20 oder Nebenschlussabschnitte aufweisen, die miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann der mindestens eine Nebenschluss 20 mehrere Abschnitte aufweisen, die jeweils die Form eines Kreisringsektors haben, es können aber auch andere Formen (z. B. tortenstückförmig, keilförmig, trapezförmig, rechteckig, polygonal, unregelmäßig) verwendet werden. In bestimmten Konfigurationen, in denen der mindestens eine Nebenschluss 20 mehrere tortenstück-/keilförmige Abschnitte aufweist, können die Abschnitte eine elektrisch isolierende Schicht entlang ihrer Ränder aufweisen, um eine elektrische Isolierung von einem tortenstück-/keilförmigen Abschnitt zum anderen bereitzustellen, was vorteilhaft dazu beitragen kann, die Spannung der thermoelektrische Einheit 10 zu erhöhen und ihren Strom zu vermindern. Der mindestens eine Nebenschluss 20 kann vollständig oder teilweise durch maschinelles Bearbeiten, Gießen, Schmieden oder andere Fertigungstechniken hergestellt werden. Die Materialien des mindestens einen Nebenschlusses 20 können derart ausgewählt werden, dass in Antwort auf Temperaturänderungen eine gewünschte Wärmeausdehnung oder Kontraktion erhalten wird, wie nachstehend näher beschrieben wird.
Der Nebenschluss 20 kann ein Loch 21 (beispielsweise in der Mitte des Nebenschlusses 20) aufweisen, das derart konfiguriert ist, dass sich die Leitung durch das Loch 21 erstreckt. Beispielsweise kann die Richtung der Fluidströmung durch die Leitung entlang oder im Wesentlichen entlang einer Achse der Leitung erfolgen, und der Nebenschluss 20 kann derart konfiguriert sein, dass er die Leitung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Achse umschließt. Der in den 1A und 1B dargestellte Nebenschluss 20 hat eine Ringform, die dafür konfiguriert ist, sich um eine rohrförmige oder allgemein rohrförmige Fluidleitung mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt in einer Ebene zu erstrecken, die sich senkrecht zur Fluidströmung durch die Leitung erstreckt. In einer solchen Konfiguration kann das Loch 21 allgemein kreisförmig ausgebildet sein. In anderen Konfigurationen können das Loch 21, der Außenumfang des Querschnitts der Leitung und der Außenumfang des Nebenschlusses 20 je nach Nutzung andere Formen haben (z. B. oval, rechteckig, quadratisch, polygonal, unregelmäßig). Obwohl in den 1A und 1B dargestellt ist, dass das Loch 21 und der Außenumfang des Nebenschlusses 20 die gleiche allgemeine Form haben, können die Formen des Lochs 21 und des Außenumfangs des Nebenschlusses 20 sich in anderen Konfigurationen voneinander unterscheiden.
Der mindestens eine Nebenschluss 20 kann einen Außenabschnitt 22 (z. B. einen Außenring) und einen Innenabschnitt 23 aufweisen, der mit dem Außenabschnitt 22 thermisch gekoppelt ist und sich vom Außenabschnitt 22 nach innen (z. B. radial) gerichtet erstreckt. Der Außenabschnitt 22 und der Innenabschnitt 23 können Abschnitte eines einzelnen einheitlichen Teils oder separate Teile sein, die miteinander verbunden sind, um den Nebenschluss 20 zu bilden. In den 1A und 1B weist der Außenabschnitt 22 einem einheitlichen Ring auf und weist der Innenabschnitt 23 eine einheitliche kreisförmige Platte mit dem Loch 21 auf, das derart konfiguriert ist, dass die Leitung sich durch das Loch 21 erstreckt. 10 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines weiteren Konfigurationsbeispiels des mindestens einen Nebenschlusses 20, wobei der Innenabschnitt 23 mehrere (z. B. durch Zwischenräume oder Schlitze oder durch ein elektrisch isolierendes Material) voneinander beabstandete Platten 24 aufweist. Jede in 10 dargestellte Platte 24 hat die Form eines Kreisringsektors, in Abhängigkeit beispielsweise von der Querschnittsform der Leitung und des mindestens einen Nebenschlusses 20 können aber auch andere Formen (z. B. tortenstückförmig, keilförmig, trapezförmig, rechteckig, polygonal oder unregelmäßig) verwendet werden.
2A zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Konfigurationsbeispiels einer thermoelektrischen Einheit 10 mit dem mindestens einen Nebenschluss 20, der einen äußeren Ringabschnitt 22 und einen Innenabschnitt 23 mit einer Platte 24 aufweist. Obwohl dies in 2A nicht dargestellt ist, kann der mindestens eine Nebenschluss 20 Räume für eine elektrische Verdrahtung bereitstellen, die sich durch die thermoelektrischen Einheit 10 erstrecken können. 2B zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht mindestens eines Wärmetauschers 50 mit mehreren Lamellen 51 (z. B. aus rostfreiem Stahl) und einem Ring oder Rohr 52 (z. B. aus rostfreiem Stahl), die an den Lamellen 51 angelötet sind. Wie hierin ausführlicher beschrieben wird, kann die Innenfläche des Rohrs 52 eine elektrisch isolierende Beschichtung (z. B. aus durch Plasmaspritzen aufgebrachtem Aluminiumoxid) aufweisen.
2C zeigt schematisch ein weiteres Konfigurationsbeispiel einer thermoelektrischen Einheit 10 mit dem mindestens einen Nebenschluss 20, der mehrere Platten 24 aufweist, die durch Schlitze 25 voneinander beabstandet sind. Die Schlitze 25 ermöglichen, dass die Platten 24 sich bei Erwärmung ausdehnen können. Der mindestens eine Nebenschluss 20 weist vier Platten 24 auf, die jeweils einen Viertelsektor eines Kreisrings bilden, wobei die Schlitze 25 zwischen den Platten 24 angeordnet sind (um z. B. die Platten 24 elektrisch voneinander zu isolieren) (nur zwei der vier Platten 24 sind in 2C dargestellt). Jede der Platten 24 weist mehrere erste thermoelektrische Elemente 30 auf einer ersten Seite und mehrere zweite thermoelektrische Elemente 40 auf einer zweiten Seite auf. Jede Platte 24 erstreckt sich über eine Viertelstrecke um die Leitung, und die Platten sind jeweils mit dem Wärmetauscher 50 mechanisch verbunden und thermisch gekoppelt, der mehrere Lamellen 51 aufweist, die sich, wie in 2C dargestellt ist, verjüngen können.
2D zeigt schematisch einen beispielhaften Nebenschluss 20 mit vier Abschnitten 20a, 20b, 20c, 20d mit Zwischenräumen oder Schlitzen 25 zwischen den Abschnitten zum elektrischen Isolieren der Abschnitte voneinander. Der Nebenschluss 20 kann auch ein Paar Koppler 28 aufweisen, die dafür konfiguriert sind, aneinander befestigt (z. B. eingerastet) zu werden, und Vorsprünge aufweisen, die dafür konfiguriert sind, die vier Abschnitte 20a, 20b, 20c, 20d voneinander beabstandet zu halten. Die Koppler 28 können ein elektrisch isolierendes Material aufweisen, um die elektrische Isolierung der vier Abschnitte voneinander aufrechtzuerhalten. 2E zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 100 mit mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 gemäß den 2C und 2D.
Wie in den 1B und 1C dargestellt ist, können der Außenabschnitt 22 und der Innenabschnitt 23 dem Nebenschluss 20 einen ”T”-förmigen Querschnitt in einer Ebene parallel zur Richtung der Fluidströmung durch die Leitung geben, während der Nebenschluss 20 in anderen Konfigurationen andere Formen (z. B. eine ”Y”-Form, eine ”I”-Form) haben kann. Obwohl der in den 1B und 1C dargestellte Außenabschnitt 22 sich in zwei Richtungen allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung erstreckt, kann der Außenabschnitt 22 in anderen Konfigurationen sich nur in einer solchen Richtung entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung erstrecken, in einer oder mehreren Richtungen erstrecken, die sich nicht parallel zur Fluidströmungsrichtung erstrecken (z. B. senkrecht oder allgemein senkrecht zur Fluidströmungsrichtung), oder sich über den Innenabschnitt 23 hinausgehend nicht entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung erstrecken.
Der mindestens eine Nebenschluss 20 kann derart konfiguriert sein, dass er im Wesentlichen von der Leitung thermisch isoliert ist, so dass kein nennenswerter Wärmepfad direkt von der Leitung zu dem mindestens einen Nebenschluss 20 vorhanden ist (z. B. ist der mindestens eine Nebenschluss 20 mit der Leitung nicht direkt thermisch gekoppelt). Beispielsweise kann der Innenabschnitt 23 des mindestens einen Nebenschlusses 20 derart konfiguriert sein, dass er (z. B. durch einen Spalt oder durch ein wärmeisolierendes Material) von der Leitung beabstandet ist. Durch den Abstand des Innenabschnitts 23 von der Leitung kann auch eine elektrische Isolierung zwischen dem mindestens einen Nebenschluss 20 und der Leitung bereitgestellt werden.
Der Außenabschnitt 22 kann einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, und der Innenabschnitt 23 kann einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der größer ist als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient (z. B. für Konfigurationen, in denen der mindestens eine Nebenschluss 20 der warmseitige Nebenschluss ist). Beispielsweise zeigt 1D schematisch eine Vorderansicht einer beispielhaften thermoelektrischen Einheit 10 mit dem mindestens einen Nebenschluss 20, der einen Außenringabschnitt 22, einen Innenabschnitt 23, mehrere Platten 24 und mit den Platten 24 verbundene thermoelektrische Elemente 30 aufweist. In Antwort auf Temperaturerhöhungen des mindestens einen Nebenschlusses 20 wird sich der Außenringabschnitt 22 erweitern und sein Durchmesser wird zunehmen, und die Länge der Platten 24 wird größer und die Platten werden sich in Richtung zur Rohrleitung hin (durch Pfeile dargestellt) erweitern. Indem der Wärmeausdehnungskoeffizient der Platten 24 größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenringabschnitts 22 kann die von der Rohrleitung nach innen oder außen gerichtete Bewegung der thermoelektrischen Elemente 30 vorteilhaft minimiert werden. In anderen Konfigurationen kann der erste Wärmeausdehnungskoeffizient größer sein als der zweite Wärmeausdehnungskoeffizienten (z. B. für Konfigurationen, bei denen der mindestens eine Nebenschluss 20 der kaltseitige Nebenschluss ist).
Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 weisen jeweils ein oder mehrere thermoelektrische Materialien auf, die dafür konfiguriert sind, entweder durch eine über das eine oder die mehreren thermoelektrischen Materialien erzeugte Temperaturdifferenz eine Spannungsdifferenz über das eine oder die mehreren thermoelektrischen Materialien zu erzeugen (z. B. für Stromerzeugungsanwendungen), oder durch eine über das eine oder die mehreren thermoelektrischen Materialien erzeugte Spannungsdifferenz eine Temperaturdifferenz über das eine oder die mehreren thermoelektrischen Materialien zu erzeugen (z. B. für Heiz-/Kühlanwendungen). Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann thermoelektrische Elemente eines ersten Dotierungstyps (z. B. n- oder p-Typ) aufweisen, und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 kann thermoelektrische Elementen eines zweiten Dotierungstyps (z. B. p-Typ oder n-Typ) aufweisen, der vom ersten Dotierungstyp verschieden ist. Beispielsweise kann das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 nur n-dotierte thermoelektrische Materialien aufweisen, und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 kann nur p-dotierte thermoelektrische Materialien aufweisen, oder Teile des mindestens einen ersten thermoelektrischen Elements können sowohl n-dotierte Materialien als auch p-dotierte Materialien aufweisen, und Teile des mindestens einen zweiten thermoelektrischen Elements können sowohl n-dotierte Materialien als auch p-dotierte Materialien aufweisen.
Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 können jeweils eine oder mehrere Schichten aus einem oder mehreren Materialien aufweisen und eine Form (z. B. flach, zylindrisch, quaderförmige, rautenförmig, kubisch, stopfenförmig, blockförmig) haben, die dafür konfiguriert ist, in die thermoelektrische Einheit 10 und das gesamte thermoelektrische System 100 zu passen, wie nachstehend näher beschrieben wird, um die Wärmeabführung oder den Gesamtwirkungsgrad der thermoelektrischen Einheit 10 oder des gesamten thermoelektrischen Systems 100 zu verbessern. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 können mit dem mindestens einem Nebenschluss 20 verbunden oder integriert sein, um die Wärmeabführung oder den Gesamtwirkungsgrad der thermoelektrischen Einheit 10 oder des gesamten thermoelektrischen Systems 100 zu verbessern. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann dafür konfiguriert sein, mit der Leitung (z. B. entweder direkt oder über andere Komponenten der thermoelektrischen Einheit 10, wie beispielsweise über einen zweiten Nebenschluss, der mit der Leitung thermisch gekoppelt ist, wie nachstehend näher beschrieben ist) thermisch gekoppelt zu sein, und das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann dafür konfiguriert sein, mit der Leitung (z. B. entweder direkt oder über andere Komponenten der thermoelektrischen Einheit 10, wie beispielsweise einen dritten Nebenschluss, der mit der Leitung thermisch gekoppelt ist, wie nachstehend näher beschrieben wird) thermisch gekoppelt zu sein.
Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann auf einer ersten Seite des mindestens einen Nebenschlusses 20 angeordnet sein, und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 kann auf einer zweiten Seite des mindestens einen Nebenschlusses 20 angeordnet sein, so dass mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Nebenschlusses 20 zwischen dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 sandwichartig angeordnet ist. Beispielsweise ist, wie in den 1A, 1B und 2 dargestellt ist, mindestens ein Teil des Innenabschnitts 23 des Nebenschlusses 20 (z. B. mindestens ein Teil einer oder mehrerer der Platten 24) zwischen dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 sandwichartig angeordnet. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann mit dem Nebenschluss 20 direkt mechanisch verbunden sein, oder die thermoelektrische Einheit 10 kann ein Zwischenmaterial (z. B. ein Klebeverbindungsmaterial) zwischen dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem Nebenschluss 20 aufweisen. Ähnlicherweise kann das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 mit dem Nebenschluss 20 direkt mechanisch verbunden sein, oder die thermoelektrische Einheit 10 kann eine Zwischenmaterial (z. B. ein Klebeverbindungsmaterial) zwischen dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 und dem Nebenschluss 20 aufweisen.
Der Innenabschnitt 23 des mindestens einen Nebenschlusses 20 kann einen ersten Abschnitt aufweisen, der mit dem Außenringabschnitt 22 thermisch gekoppelt ist und sich vom Außenringabschnitt 22 nach innen gerichtet erstreckt, und der erste Abschnitt kann mehrere Vertiefungen oder Löcher 26 aufweisen. Der Innenabschnitt 23 kann ferner einen zweiten Abschnitt aufweisen, der mit dem ersten Abschnitt mechanisch verbunden ist und mehrere Einsätze 27 aufweist. Die Einsätze 27 können derart konfiguriert sein, dass sie in die Vertiefungen oder Löcher 26 passen (sich z. B. durch die mehreren Löcher 26 erstrecken), und die Einsätze 27 können zwischen dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 sandwichartig angeordnet sein, wobei mindestens einige der Einsätze 27 elektrisch voneinander isoliert sind. Jeder Einsatz 27 kann mit dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40, mit denen er mechanisch verbunden ist, thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden sein, so dass das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 mit dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element elektrisch in Reihe geschaltet ist und ein Wärmepfad vom Außenabschnitt 22 über den Einsatz 27 des Innenabschnitts 23 zu dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und zu dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 bereitgestellt wird.
Beispielsweise kann, wie in 1A schematisch dargestellt ist, jeder Einsatz 27 eine Kupferscheibe oder einen Zylinder aufweisen, die/der zwischen einem entsprechenden ersten thermoelektrischen Element 30 (z. B. einem zylinderförmigen Pellet), das am Einsatz 27 montiert ist, und einem entsprechenden zweiten thermoelektrischen Element 40 (z. B. einem zylinderförmigen Pellet), das am Einsatz 27 montiert ist, sandwichartig angeordnet sein. Die Löcher 26 und die Einsätze 27 sind entlang des Innenabschnitts 23 im Wesentlichen symmetrisch verteilt. Es können auch andere Formen (z. B. quadratisch, dreieckig, oval, polygonal, unregelmäßig) und Verteilungen (z. B. asymmetrisch, nichtsymmetrisch) der Löcher 26 und der Einsätze 27 verwendet werden. Jeder der Einsätze 27 kann in einem entsprechenden Loch 26 angeordnet und mit dem Material des das Loch 26 umgebenden Innenabschnitts 23 (beispielsweise durch Löten, Schweißen oder mittels Klebstoff) mechanisch verbunden sein. Die Einsätze 27 können aus dem gleichen Material wie der umgebende Abschnitt des Innenabschnitts 23 oder aus einem anderen Material hergestellt sein.
Der Abschnitt des mindestens einen Nebenschlusses 20 kann von dem restlichen Abschnitt des mindestens einen Nebenschlusses 20 elektrisch isoliert sein, während er weiterhin mit dem restlichen Abschnitt des mindestens einen Nebenschlusses 20 thermisch gekoppelt ist. Beispielsweise kann der Nebenschluss 20 von 1A eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten zwischen den Einsätzen 27 und dem Rest des Nebenschlusses 20 aufweisen, wobei die eine oder die mehreren elektrisch isolierenden Schichten ausreichend wärmeleitfähig und ausreichend elektrisch isolierend sind, so dass die Einsätze 27 mit dem Rest des Nebenschlusses 20 thermisch gekoppelt, aber vom Rest der Nebenschlusses 20 elektrisch isoliert sind. Die eine oder die mehreren elektrisch isolierenden Schichten können auf dem Außenumfang der Einsätze 27 und/oder auf der Innenfläche der Vertiefungen oder Löcher 26 ausgebildet sein. Beispielsweise kann die elektrisch isolierende Schicht durch Plasmaspritzen eines elektrisch isolierenden Materials (z. B. Aluminiumoxid, Nitride, Cuprite, Aluminate) auf dem Außenumfang des Einsatzes 27 oder auf der Innenfläche der Vertiefung oder des Lochs 26 abgeschieden werden.
3 zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines weiteren Konfigurationsbeispiels, in dem jeder Einsatz 27 mit dem Rest des Nebenschlusses 20 thermisch gekoppelt, aber vom Rest des Nebenschlusses 20 elektrisch isoliert ist. Der Einsatz 27 kann einen elektrisch leitfähigen Abschnitt 27a und einen elektrisch isolierenden Abschnitt 27b aufweisen (z. B. eine oder mehrere dielektrische Schichten, Abstandshalter oder einen Ring). Der elektrisch leitfähige Abschnitt 27a kann (z. B. durch Kleben, Löten, Sintern, Verpressen) an den thermoelektrischen Elementen 30, 40 montiert sein, so dass er mit den thermoelektrischen Elementen 30, 40 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden ist, und der elektrisch isolierende Abschnitt 27b kann entweder am elektrisch leitfähigen Abschnitt 27a oder an der Innenfläche des Lochs 26 angepasst, montiert oder aufgebracht werden. Der elektrisch leitfähige Abschnitt 27a kann in das Loch 26 eingesetzt werden, wobei der elektrisch isolierende Abschnitt 27b zwischen dem elektrisch leitenden Abschnitt 27a und dem umgebenden Bereich des Nebenschlusses 20 angeordnet ist.
Der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann ein oder mehrere Materialien (z. B. Aluminium, Kupfer, rostfreie Stahllegierung) aufweisen. In Konfigurationen, in denen der mindestens eine Wärmetauscher 50 korrosiven Umgebungen ausgesetzt ist, kann die rostfreie Stahllegierung vorteilhaft verwendet werden, um Korrosion zu vermeiden. Der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann durch Hartlöten, Weichlöten, Aufpressen, Befestigen unter Verwendung eines Klebstoffes oder auf andere Weise mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 mechanisch verbunden werden, um eine thermische Kopplung zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 und dem mindestens einen Nebenschluss 20 bereitzustellen. Der mindestens eine Wärmetauscher 50 und der mindestens eine Nebenschluss 20 können das gleiche Material aufweisen und können Abschnitte der gleichen einheitlichen Komponente sein. Der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann ein oder mehrere Materialien aufweisen, die temperaturempfindlich (z. B. ”aktiv”) sind, so dass der mindestens eine Wärmetauscher 50 in Antwort auf übermäßig hohe Temperaturen seine Form, Konfiguration, Ausrichtung oder eine andere Eigenschaft ändert. Beispielsweise kann der mindestens eine Wärmetauscher 50 eine Formgedächtnislegierung aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass sie sich bewegt und von dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch isoliert oder entkoppelt wird (beispielsweise durch Bewegen, wodurch ein Zwischenraum entsteht, der den Wärmestrom zu dem mindestens einen Nebenschluss 20 vermindert), um die thermoelektrischen Elemente 30, 40 vorteilhaft vor übermäßig hohen Temperaturen zu schützen.
Die thermoelektrische Einheit 20 kann mindestens eine elektrisch isolierende Schicht zwischen dem mindestens einen Nebenschluss 20 und dem mindestens einen Wärmetauscher 50 aufweisen, um den mindestens einen Wärmetauscher 50 von dem mindestens einen Nebenschluss 20 elektrisch zu isolieren (und den mindestens einen Wärmetauscher 50 von dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 elektrisch zu isolieren), während eine thermische Kopplung zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 und dem mindestens einen Nebenschluss 20 bereitgestellt wird. Beispielsweise zeigt 2B schematisch mindestens einen Wärmetauscher 50 mit mehreren Lamellen 51 und einem an den Lamellen 51 angelöteten Ring oder Rohr 52. Eine elektrisch isolierende (z. B. dielektrische) Schicht 53 kann zwischen dem Rohr 52 und dem mindestens einen Nebenschluss 20 angeordnet sein (z. B. auf einer Innenfläche des Rohrs 52 oder auf einer Außenfläche des mindestens einen Nebenschlusses 20). Die Lamellen 51 und das Rohr 52 können aus rostfreiem Stahl ausgebildet sein, und die elektrisch isolierende Schicht 53 kann aus Aluminiumoxid ausgebildet sein (beispielsweise durch Beschichten oder Plasmaspritzen auf eine Innenfläche des Rohrs 52 oder auf eine Außenfläche des mindestens einen Nebenschlusses 20 aufgebracht sein). Das Rohr 52 kann an dem mindestens einen Nebenschluss 20 (z. B. durch Löten) befestigt sein, wodurch eine thermoelektrische Einheit 20 mit mindestens einem Nebenschluss 20 erhalten wird, der mit dem mindestens einen Wärmetauscher 50 thermisch gekoppelt, aber davon elektrisch isoliert ist.
Der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann derart konfiguriert sein, dass er die Leitung (z. B. senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Leitung) umschließt. Beispielsweise kann, wie durch die 1A und 1B schematisch dargestellt ist, der mindestens eine Wärmetauscher 50 mehrere Lamellen 51 aufweisen, die mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 mechanisch verbunden sind, so dass sie mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt sind. Die mehreren Lamellen 51 in den 1A und 1B sind jeweils einheitlich, ringförmig und flach und erstrecken sich von dem mindestens einen Nebenschluss 20 parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander jeweils in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Fluidströmung innerhalb der Leitung allgemein nach außen. Die Lamellen 51 sind dafür konfiguriert, mit einem zweiten Fluid (z. B. mit einem Fluid, das in einer Richtung strömt, die sich allgemein senkrecht zur Richtung der Fluidströmung in der Leitung erstreckt) thermisch gekoppelt zu sein.
Es können andere Formen der Lamellen 51 (zum Beispiel rechteckige, gewellte, nicht flache, spiralförmige, konische) Konfigurationen (z. B. perforiert, segmentiert oder mit getrennten Abschnitten, nicht parallel zueinander) und Ausrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann, wie in 1E schematisch dargestellt ist, jede thermoelektrische Einheit 10 von mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 mindestens einen Wärmetauscher 50 mit tropfenförmigen Lamellen 51 aufweisen. Solche Lamellenformen, sowie andere ungleichmäßige Lamellenformen, können vorteilhaft eine optimalere aerodynamische Form bereitstellen, den Druckabfall vermindern und/oder die Wärmeübertragungsfläche vergrößern, wenn eine größere Wärmeübertragung zwischen den Lamellen 51 und dem zweiten Fluid erforderlich ist.
Mindestens einige der Lamellen 51 können sich axial entlang oder im Wesentlichen entlang der Länge der Leitung erstrecken (z. B. planar in einer Ebene, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zur Richtung der Fluidströmung in der Leitung erstreckt), in einer Ebene senkrecht zur Richtung der Fluidströmung in der Leitung erstrecken (wie beispielsweise in den 1A, 1B, 2A dargestellt ist), oder in einem von Null verschiedenen Winkel zur Richtung der Fluidströmung innerhalb der Leitung erstrecken (wie beispielsweise in 2C dargestellt ist). Die Lamellen 51 können segmentiert sein und somit dazu beitragen, Wärmeausdehnungsprobleme zu handhaben. Beispielsweise kann der mindestens eine Wärmetauscher 50 zwei halbringförmige Abschnitte aufweisen, von denen einer in 2C dargestellt ist, wobei die Lamellen 51 jedes Abschnitts sich in thermischer Kopplung mit zwei Viertelsektorplatten 24 des mindestens einen Nebenschlusses 20 über einen halben Weg um die Leitung erstrecken. Das thermoelektrische System 100 kann Paare solcher halbringförmiger Abschnitte aufweisen, wobei die beiden halbringförmigen Abschnitte jedes Paars sich allgemein flach zueinander erstrecken, wobei Zwischenräume oder Schlitze zwischen den halbringförmigen Abschnitten jedes Paars ausgebildet sind. Solche Zwischenräume oder Schlitze können dazu beitragen, Wärmeausdehnungsprobleme zu handhaben.
Als ein anderes Beispiel zeigt 4 schematisch ein Konfigurationsbeispiel eines zylinderförmigen Rohrs 52, das den mindestens einen Wärmetauscher 50 für mehrere thermoelektrische Einheiten 10 bereitstellt. Das Rohr 52 ist mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 im Inneren des Rohrs 52 und mit einem zweiten Fluid außerhalb des Rohrs 52 thermisch gekoppelt. Das Rohr 52 kann Vorsprünge (z. B. Lamellen) aufweisen, um die Wärmeübertragung zwischen dem Rohr 52 und dem zweiten Fluid zu erleichtern, oder das Rohr 52 kann im Wesentlichen keine Vorsprünge aufweisen, wie in 4 dargestellt ist.
Der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann dafür konfiguriert sein, Wärme zu oder von dem mindestens einen Nebenschluss 20 zu übertragen, so dass der mindestens eine Wärmetauscher dafür konfiguriert ist, mindestens einen Wärmepfad zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 und der Leitung zu bilden, die sich durch das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 erstreckt, und mindestens einen Wärmepfad zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 und der Leitung zu bilden, die sich durch das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 erstreckt. Das erste Fluid kann eine Flüssigkeit sein (z. B. Wasser oder Motorkühlflüssigkeit) oder ein Gas (z. B. Luft oder Motorabgas), und das zweite Fluid kann eine Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Motorkühlflüssigkeit) oder ein Gas (z. B. Luft oder Motorabgas) sein. Das erste Fluid und das zweite Fluid können voneinander verschiedene Temperaturen haben, so dass über das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und über das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 eine Temperaturdifferenz auftritt. Beispielsweise kann das erste Fluid (z. B. ein Kühlmittel) eine erste Temperatur und das zweite Fluid (z. B. ein Heißgas) eine zweite Temperatur haben, die höher sein kann als die erste Temperatur. Gemäß einem alternativen Beispiel kann die zweite Temperatur niedriger sein als die erste Temperatur.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient des mindestens einen Wärmetauschers 50 kann kleiner sein als der Wärmeausdehnungskoeffizient des mindestens einen Nebenschlusses 20 (z. B. in Konfigurationen, in denen der mindestens eine Nebenschluss 20 der warmseitige Nebenschluss ist). In einer solchen Konfiguration wird eine Temperaturerhöhung der thermoelektrischen Einheit 10 den mechanischen Druck zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 und dem mindestens einen Nebenschluss 20 erhöhen, wodurch die Wärmeleitfähigkeit zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 und dem mindestens einen Nebenschluss 20 zunimmt.
Thermoelektrisches System auf Kartuschenbasis
Ein thermoelektrisches System 100 kann eine einzelne thermoelektrische Einheit 10 aufweisen, die selbst mehrere Nebenschlüsse, mehrere thermoelektrische Elemente 30, 40 und mehrere Wärmetauscher 50 aufweist (die z. B. anstatt aus mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 aus einer einzelnen Kapsel ausgebildet ist). Ein thermoelektrisches System 100 kann mehrere thermoelektrische Einheiten 10 aufweisen (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 oder mehr thermoelektrische Einheiten 10), die miteinander kombiniert sind, benachbart zueinander und auf der gleichen ersten Fluidleitung angeordnet sind, um das thermoelektrische System 100 zu bilden. Wie nachstehend ausführlicher erläutert wird, kann für solche Konfigurationen der mindestens eine Wärmetauscher 50 der thermoelektrischen Einheit 10 dafür konfiguriert sein, mit dem mindestens einen Wärmetauscher 50 einer benachbarten thermoelektrischen Einheit 10 mechanisch verbunden zu werden. Beispielsweise ist, wie in 4 schematisch dargestellt ist, ein Abschnitt des zylinderförmigen Rohres 52 mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und mit einem zweiten Fluid außerhalb des Rohrs 52 thermisch gekoppelt, so dass der Abschnitt des zylinderförmigen Rohrs 52 als der mindestens eine Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a dienen kann. Darüber hinaus ist ein anderer Abschnitt des zylinderförmigen Rohrs 52 mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b und mit dem zweiten Fluid außerhalb des Rohrs 52 thermisch gekoppelt, so dass dieser Abschnitt des zylinderförmigen Rohres 52 als der mindestens eine Wärmetauscher der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b dienen kann. Da die Abschnitte des zylinderförmigen Rohrs 52 mechanisch miteinander verbunden sind, sind der mindestens eine Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der mindestens eine Wärmetauscher 50 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b mechanisch miteinander verbunden.
Der mindestens eine Wärmetauscher 50 benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 können durch mindestens ein elastisches Element 54 mechanisch miteinander verbunden sein, das derart konfiguriert ist, dass es in Antwort auf eine Bewegung zwischen Abschnitten des thermoelektrischen Systems 100 (z. B. eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen System 100 oder durch mechanische Erschütterungen des thermoelektrischen Systems 100 verursachte Bewegung) elastisch reagiert (z. B. ein flexibles Element, das dafür konfiguriert ist, sich elastisch zu verformen). Das mindestens eine elastische Element 54 kann einen Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers 50 aufweisen, der in Antwort auf eine Bewegung zwischen Abschnitten der thermoelektrischen Einheit 10 oder des gesamten thermoelektrischen Systems 100 (z. B. eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion oder eine durch mechanische Stöße verursachte Bewegung) elastisch reagiert (beispielsweise ein flexibles Element, das sich elastisch verformen kann). Beispielsweise kann ein Abschnitt des zylinderförmigen Rohrs 52 zwischen den beiden benachbarten thermoelektrischen Einheiten 10a, 10b in 4 ein elastisches Verbindungsstück (z. B. einen Faltenbalg) aufweisen. Bei Konfigurationen, in denen der mindestens eine Wärmetauscher 50 eine oder mehrere Lamellen 51 aufweist, kann der mindestens eine Wärmetauscher 50 benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 dafür konfiguriert sein, durch mindestens ein elastisches Element 54 mechanisch miteinander verbunden zu werden, wie nachstehend unter Bezug auf 11A näher erläutert wird. Beispielsweise können, wie in 1B schematisch dargestellt ist, eine oder mehrere Lamellen 51 der thermoelektrischen Einheit 10 flexibel sein und sich in Antwort auf eine Bewegung zwischen Abschnitten des thermoelektrischen Systems 100 (z. B. eine durch Wärmedehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen System 100 oder durch mechanische Erschütterungen des thermoelektrischen System 100 verursachte Bewegung) elastisch verformen.
5A zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Systems 100, und 5B zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines Abschnitts des beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 von 5A. 6A zeigt schematisch ein weiteres beispielhaftes thermoelektrisches System 100, und 6B zeigt schematisch eine perspektivische Querschnittansicht des beispielhaften thermoelektrischen Systems von 6A. Die 5A–5B und 6A–6B zeigen schematisch beispielhafte thermoelektrische Systeme 100 (z. B. Kartuscheneinheiten), die jeweils mehrere in einem Inertgas eingeschlossene thermoelektrische Einheiten 10 mit abwechselnden n- und p-dotierten thermoelektrischen Elementen 30, 40 in einer gestapelten Konfiguration aufweisen. Die thermoelektrischen Systeme 100 können in einem Gehäuse angeordnet sein, in dem ein Niedrigtemperatur(LT)fluid durch die Mittelleitungen 102 (z. B. Rohre) strömt, und ein Hochtemperatur(HT)gas durch die runden Lamellen 51 strömt, die zu den Mittelleitungen 102 konzentrisch sind. Ein thermoelektrisches System 100 kann eine einzelne thermoelektrische Einheit 10 aufweisen, die selbst mehrere Nebenschlüsse 20, mehrere thermoelektrische Elemente 30, 40 und mehrere Wärmetauscher 50 aufweist (z. B. anstatt aus mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 aus einer einzigen Kapsel ausgebildet ist). Das thermoelektrische System 100 kann mehrere thermoelektrische Einheiten 10 aufweisen (z. B. 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 oder 15 oder mehr thermoelektrische Einheiten 10), die miteinander kombiniert und nebeneinander auf der gleichen ersten Fluidleitung angeordnet sind, um das thermoelektrische System 100 zu bilden. Das thermoelektrische System 100 kann Abmessungen haben, die derart konfiguriert sind, dass es für eine bestimmte Anwendung geeignet ist (z. B. eine Länge von 148 mm und ein Außendurchmesser von 30 mm).
Das thermoelektrische System 100 weist mindestens einen Abschnitt einer rohrförmigen oder allgemein rohrförmigen Fluidleitung 102 auf, die dafür konfiguriert ist, eine Strömung eines ersten Fluids durch den mindestens einen Abschnitt der rohrförmigen oder allgemein rohrförmigen Fluidleitung 102 entlang oder im Wesentlichen entlang einer Richtung 104 zu ermöglichen. Das thermoelektrische System 100 weist ferner mehrere thermoelektrische Einheiten 10 auf (z. B. mindestens eine erste thermoelektrische Einheit 10a und eine zweite thermoelektrische Einheit 10b). Jede der thermoelektrischen Einheiten 10 ist mit der Leitung 102 thermisch gekoppelt und weist mindestens einen ersten Nebenschluss 20 (z. B. mindestens einen Nebenschluss 20, wie er vorstehend beschrieben ist, der im Wesentlichen thermisch von der Leitung 102 isoliert sein kann), der sich um die Leitung 102 erstreckt, mindestens ein erstes thermoelektrisches Element 30, das mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden ist, und mindestens ein zweites thermoelektrisches Element 40 auf, das mit dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden ist. Mindestens ein Abschnitt des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 ist zwischen dem mindestens einen ersten thermoelektrischen Element 30 und dem mindestens einen zweiten thermoelektrischen Element 40 sandwichartig angeordnet. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 sind von der Leitung 102 elektrisch isoliert. Jede der thermoelektrischen Einheiten 10 weist ferner mindestens einen Wärmetauscher 50 (z. B. mehrere Wärmetauscher 50) auf, die mit dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 und mit einem zweiten Fluid thermisch gekoppelt sind.
Das thermoelektrische System 100 weist ferner mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 auf, der sich um die Leitung 102 erstreckt und mit der Leitung 102 thermisch gekoppelt ist. Mindestens ein Abschnitt des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 ist von der Leitung 102 elektrisch isoliert und mit zwei thermoelektrischen Einheiten 10 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden und dazwischen sandwichartig angeordnet (beispielsweise mit mindestens einem zweiten thermoelektrischen Element 40 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und mindestens einem ersten thermoelektrischen Element 30 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden und sandwichartig dazwischen angeordnet). Mindestens einige der mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und mindestens einige der mehreren zweiten Nebenschlüsse 110 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Beispielsweise sind die erste thermoelektrische Einheit 10a, der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b elektrisch in Reihe geschaltet, so dass das thermoelektrische System 100 einen elektrischen Stromflusspfad 104 durch das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a, den mindestens einen ersten Nebenschluss 20 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a, das mindestens eine zweite thermoelektrische Element der ersten thermoelektrischen Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110, das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b, den mindestens einen ersten Nebenschluss 20 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b aufweist.
Die Strömung des ersten Fluids und/oder des zweiten Fluids durch das thermoelektrische System 100 kann stetig (z. B. kontinuierliche Strömung) oder gepulst sein. Eine pulsierende Strömung kann bestimmte Übergangseffekte bereitstellen, die sich vorteilhaft auf die Systemleistung auswirken können. Steuersysteme, wie beispielsweise elektrische, können um die pulsierende Strömung herum optimal ausgelegt werden.
Die thermoelektrischen Einheiten 10 des thermoelektrischen Systems 100 können eine oder mehrere thermoelektrische Einheiten 10 mit einer oder mehreren der vorstehend unter Bezug auf die Konfigurationsbeispiele der thermoelektrischen Einheiten in den 1–4 beschriebenen verschiedenen Konfigurationen, Merkmale, Materialien, Ausrichtungen oder anderen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann das mindestens eine erste thermoelektrische Element einen ersten Dotierungstyps (z. B. n-Typ oder p-Typ) aufweisen, und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element kann einen zweiten Dotierungstyp (z. B. p-Typ oder n-Typ) aufweisen, der vom ersten Dotierungstyp verschieden ist. Gemäß anderen Beispielen kann sich der mindestens eine Wärmetauscher 50 (z. B. die mehreren Wärmetauscher 50) jeder thermoelektrischen Einheit 10 um die Leitung 102 erstrecken (z. B. senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Richtung 104), kann der mindestens eine erste Nebenschluss 20 jeder thermoelektrischen Einheit 10 auf Temperaturerhöhungen durch Erhöhen einer auf die Leitung 102 nach innen (z. B. in die Radialrichtung) ausgeübten Druckkraft ansprechen, und kann jede der thermoelektrischen Einheiten 10 (z. B. die erste thermoelektrische Einheit 10a und die zweite thermoelektrische Einheit 10b) mindestens eine elektrisch isolierende Schicht aufweisen, die die thermoelektrische Einheit 10 von der Leitung 102 elektrisch isoliert (und dadurch das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 von der Leitung 102 elektrisch isoliert und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 von der Leitung 102 elektrisch isoliert).
Die Leitung 102 kann ein thermisch leitfähiges Rohr (z. B. aus Kupfer, Aluminium) aufweisen. Die Leitung 102 kann ferner eine oder mehrere rostfreie Stahlrohreinsätze aufweisen, die mit anderen rostfreien Stahlrohrleitungen mechanisch verbunden sein können, um einen Fluidstrom zur Leitung 102 bereitzustellen. Die Leitung 102 kann eine sich in der Richtung erstreckende längliche Form haben. Die Leitung 102 kann eine oder mehrere Strukturen aufweisen, die dafür konfiguriert sind, die Wärmeübertragung zwischen dem durch die Leitung 102 strömenden ersten Fluid und der Leitung 102 zu erleichtern. Beispielsweise kann die Leitung 102 Vorsprünge oder Einsätze aufweisen, die sich von der Innenwand der Rohrleitung 102 zur Mitte der Leitung 102 hin erstrecken, um die Strömung des ersten Fluids zu verändern oder umzuleiten oder die dem ersten Fluid ausgesetzte Oberfläche der Leitung 102 zu vergrößern. Beispiele derartiger Strukturen sind, ohne darauf beschränkt zu sein, Drahtwicklungen, verdrillte Bänder und ”Eselsohren”. Es können auch weitere Verfahren und Strukturen von auf dem Fachgebiet bekannten Rohrleitungsinnenverstärkungen verwendet werden.
Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann eine oder mehrere elektrisch und thermisch leitfähige Materialien (z. B. Kupfer, Aluminium) aufweisen. Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann ferner eine oder mehrere elektrisch isolierende (z. B. dielektrische) Materialien oder Schichten aufweisen, die dafür konfiguriert sind, eine elektrische Isolierung zwischen den Komponenten des thermoelektrischen Systems 100 bereitzustellen (um z. B. den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 von der Leitung 102 elektrisch zu isolieren). Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann einen einzelnen, einheitlichen Nebenschluss 110 oder mehrere zweite Nebenschlüsse 110 oder zweite Nebenschlussabschnitte aufweisen, die miteinander verbunden sind. Beispielsweise kann der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 mehrere Abschnitte aufweisen, die jeweils die Form eines Kreisringsektors haben, aber es können auch andere Formen (z. B. tortenstückförmig, keilförmig, trapezförmig, rechteckig, polygonal, unregelmäßig) verwendet werden. In bestimmten Konfigurationen, in denen der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 mehrere tortenstück-/keilförmige Abschnitte aufweist, können die Abschnitte eine elektrisch isolierende Schicht entlang ihren Rändern aufweisen, um eine elektrische Isolation von einem tortenstück-/keilförmigen Querschnitt zu einem anderen bereitzustellen, was vorteilhaft dazu beitragen kann, die Spannung für das thermoelektrische System 100 zu erhöhen und den Strom für das thermoelektrische System 100 zu vermindern. Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann vollständig oder teilweise durch maschinelles Bearbeiten, Gießen, Schmieden oder andere Fertigungstechniken hergestellt werden. Die Materialien des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 können derart ausgewählt werden, dass in Antwort auf Temperaturänderungen die gewünschte Wärmeausdehnung oder Kontraktion erhalten wird.
Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann ein Loch 112 (z. B. in der Mitte des zweiten Nebenschlusses 110) aufweisen, das derart konfiguriert ist, dass die Leitung 102 sich durch das Loch 112 erstrecken kann. Beispielsweise kann die Richtung 104 der Fluidströmung durch die Leitung 102 sich entlang oder im Wesentlichen entlang einer Achse der Leitung 102 erstrecken, und der zweite Nebenschluss 110 kann derart konfiguriert sein, dass er die Leitung 110 senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Achse umschließt (beispielsweise in einer Ebene senkrecht zur Achse), wie in 5B schematisch dargestellt ist. Der zweite Nebenschluss 110 kann ringförmig und einheitlich ausgebildet und derart konfiguriert sein, dass er sich um eine rohrförmige oder allgemein rohrförmige Fluidleitung 102 mit einem allgemein kreisförmigen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Fluidströmung durch die Leitung 102 erstreckt. In einer derartigen Konfiguration kann das Loch 112 allgemein kreisförmig ausgebildet sein. Bei anderen Konfigurationen können das Loch 112, der Außenumfang des Querschnitts der Leitung 102 und der Außenumfang des zweiten Nebenschlusses 110 andere Formen haben (z. B. oval, rechteckig, quadratisch, polygonal, unregelmäßig). Obwohl das Loch 112 und der Außenumfang des zweiten Nebenschlusses 110 die gleiche allgemeine Form haben können, können in anderen Konfigurationen die Formen der Öffnung 112 und des Außenumfangs des zweiten Nebenschlusses 110 voneinander verschieden sein.
Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann einen Außenabschnitt 114 (beispielsweise eine äußere ringförmige Platte) und einen Innenabschnitt 116 aufweisen, der mit dem Außenabschnitt 114 und mit der Leitung 102 thermisch gekoppelt ist. Der Innenabschnitt 116 kann sich entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung 102 erstrecken (beispielsweise in einer axialen Richtung). Der Außenabschnitt 114 und der Innenabschnitt 116 können Abschnitte eines einzelnen einheitlichen Teils sein oder können separate Teile sein, die miteinander verbunden sind, um den zweiten Nebenschluss 110 zu bilden. Beispielsweise kann der Außenabschnitt 114 eine einheitliche kreisförmige Platte aufweisen, und der Innenabschnitt 116 kann einen einheitlichen Ring aufweisen, der das Loch 112 umschließt, das derart konfiguriert ist, dass die Leitung 102 sich durch das Loch 112 erstreckt. Der Außenabschnitt 114 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 kann mehrere (z. B. durch Zwischenräume oder Schlitze oder durch ein elektrisch isolierendes Material) voneinander beabstandete Platten aufweisen, wobei jede Platte mit den thermoelektrischen Elementen 30, 40 der benachbarten thermoelektrischen Einheiten thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden ist.
Wie in 5B dargestellt ist, können der Außenabschnitt 114 und der Innenabschnitt 116 dem zweiten Nebenschluss 110 einen ”T”-förmigen Querschnitt in einer Ebene parallel zur Richtung 104 der Fluidströmung durch die Leitung verleihen, wobei der zweite Nebenschluss 110 in anderen Konfigurationen auch andere Formen (z. B. ”I”-förmig) haben kann. Obwohl der Innenabschnitt 116 sich in 5B in zwei Richtungen allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung 104 erstreckt, kann der Innenabschnitt 116 in anderen Konfigurationen sich nur in einer solchen Richtung entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung erstrecken, in eine oder mehrere Richtungen, die sich nicht parallel zur Fluidströmungsrichtung erstrecken (z. B. senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Fluidströmungsrichtung), oder sich jenseits des Außenabschnitts 114 nicht entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung erstrecken.
Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann derart konfiguriert sein, dass er mit der Leitung 102 thermisch gekoppelt ist, so dass ein wesentlicher Wärmepfad direkt von der Leitung 102 zu dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 bereitgestellt wird (beispielsweise ist der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 mit der Leitung 102 direkt thermisch gekoppelt). Beispielsweise kann das thermoelektrische System 100 ferner ein wärmeleitendes Grenzflächenmaterial zwischen dem Innenabschnitt 116 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 und der Leitung 112 aufweisen. Dieses Grenzflächenmaterial kann elektrisch isolierend sein, so dass der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 von der Leitung 112 elektrisch isoliert ist. Dieses Grenzflächenmaterial kann ein weiches oder mechanisch elastisches Material sein (z. B. ein wärmeleitendes Schmiermittel), so dass der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 (z. B. mindestens einige der mehreren zweiten Nebenschlüsse 110) derart konfiguriert ist, dass er sich in Antwort auf eine Wärmeausdehnung oder eine Kontraktion innerhalb des thermoelektrischen Systems 100 entlang der Leitung 102 verschieben kann, um die thermische Kopplung mit der Leitung 102 aufrechtzuerhalten. Da die thermoelektrischen Einheiten 10 beabstandet von der Leitung 102 angeordnet sein können, wie vorstehend beschrieben wurde, und elastische Elemente 54 zwischen den thermoelektrischen Einheiten 10 aufweisen können, können solche Konfigurationen die Größe einer durch die thermoelektrischen Elemente 30, 40 erfahrenen Scherspannung vermindern, die durch Bewegung zwischen Abschnitten des thermoelektrischen Systems 100 verursacht wird (z. B. durch eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen System 100 oder eine durch mechanische Erschütterungen des thermoelektrischen Systems 100 verursachte Bewegung). Alternativ kann der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 in Konfigurationen, in denen die Wärmeausdehnung des thermoelektrischen Systems 100 als gering eingeschätzt wird, direkt mit der Leitung 102 verbunden sein. Beispielsweise kann zwischen dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und der Leitung 102 eine Klebeverbindung hergestellt werden, wobei der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 (beispielsweise durch eine dielektrische Schicht) von der Leitung 102 elektrisch isoliert ist.
Das thermoelektrische System 100 kann ein Grenzflächenmaterial zwischen der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und zwischen der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b und dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 aufweisen. Dieses Grenzflächenmaterial kann ein weiches oder mechanisch elastisches Material sein (z. B. ein wärmeleitendes und elektrisch leitfähiges Schmiermittel), so dass der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 (z. B. mindestens einige der mehreren zweiten Nebenschlüsse 110) dafür konfiguriert ist, sich in Antwort auf eine Bewegung zwischen Abschnitten des thermoelektrischen Systems 100 (z. B. eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen System 100 oder eine durch mechanische Erschütterungen des thermoelektrischen Systems 100 verursachte Bewegung) zwischen den thermoelektrischen Elementen 30, 40 zu verschieben, während er mit den thermoelektrischen Elementen 30, 40 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden bleibt. Solche Konfigurationen können die Größe einer aufgrund der Wärmeausdehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen System 100 verursachten Scherspannung vermindern, die die thermoelektrischen Elemente 30, 40 erfahren.
Der Außenabschnitt 114 kann einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, und der Innenabschnitt 116 kann einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, der größer ist als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient (z. B. für Konfigurationen, bei denen der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 der kaltseitige Nebenschluss ist). In Antwort auf Temperaturerhöhungen des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 wird der Durchmesser des Außenabschnitts 114 (z. B. äußere ringförmige Platte) zunehmen, und der Innenabschnitt 116 (z. B. innerer Ring) wird sich in Richtung der Leitung 102 ausdehnen. Indem der Wärmeausdehnungskoeffizient des Innenabschnitts 116 größer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenabschnitts 114 kann eine von der Leitung 102 nach innen oder nach außen gerichtete Bewegung der thermoelektrischen Elemente 30, 40 vorteilhaft minimiert werden. Darüber hinaus kann der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 auf Temperaturerhöhungen ansprechen, die durch Erhöhen einer auf die Leitung 102 nach innen (z. B. in die Radialrichtung) ausgeübten Druckkraft verursacht werden. In anderen Konfigurationen kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des Außenabschnitts 114 größer sein als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Innenabschnitts 116 (z. B. für Konfigurationen, bei denen der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 der warmseitige Nebenschluss ist).
Wie in 5B schematisch dargestellt ist, kann jede thermoelektrische Einheit 10 (beispielsweise die erste thermoelektrische Einheit 10a und die zweite thermoelektrische Einheit 10b) mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 118 aufweisen, die den mindestens einen ersten Nebenschluss 20 von dem mindestens einen Wärmetauscher 50 elektrisch isoliert, und das thermoelektrische System 100 kann mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 119 zwischen der Leitung 102 und dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 und dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 aufweisen. Beispielsweise kann die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 119 ein Teil des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 50, ein Teil der Leitung 102, oder einer Komponente sein, die zwischen dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 50 und der Leitung 102 sandwichartig angeordnet ist. Die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 118, 119 können jeweils ein oder mehrere dielektrische Materialien (z. B. Aluminiumoxid, Nitride, Cuprite, Aluminate) in Form einer separaten Komponente oder als eine Beschichtung aufweisen, die auf mindestens einer der Oberflächen des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20, des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 50, der Leitung 102 und des mindestens eine zweiten Nebenschlusses 110 ausgebildet ist. Die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht 118, 119 sind dafür konfiguriert, Kurzschlüsse zu verhindern, die das gewünschte Verhalten der thermoelektrischen Elemente 30, 40 beeinflussen würden.
Die mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und die mehreren zweiten Nebenschlüsse 110 sind entlang der Fluidströmungsrichtung 104 alternierend angeordnet, wie in 5B schematisch dargestellt ist. Außerdem kann der elektrische Stromflusspfad durch die mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und die mehreren zweiten Nebenschlüsse 110 sich in der Richtung entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung 102 erstrecken (z. B. von einer thermoelektrischen Einheit 10 an einem Abschnitt der Leitung 102 zu einer thermoelektrischen Einheit 10 an einem anderen Abschnitt der Leitung 102). Der elektrische Stromflusspfad kann sich allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung 104 des ersten Fluids durch die Leitung 102 erstrecken, wie in 5B schematisch dargestellt ist (z. B. parallel oder im Wesentlichen parallel zur Achse der Leitung 102 entweder in die gleiche Richtung wie die Fluidströmungsrichtung 104 oder entgegengesetzt oder im Wesentlichen entgegengesetzt zur Fluidströmungsrichtung 104). Der elektrische Stromflusspfad durch jede einzelne Komponente des thermoelektrischen Systems 100 (z. B. über irgendeinen ersten Nebenschluss 20, irgendeinen zweiten Nebenschluss 110, irgendein erstes thermoelektrisches Element 30 oder irgendein zweites thermoelektrisches Element 40) kann in einer Richtung erfolgen, die sich nicht parallel zur Fluidströmungsrichtung 104 erstreckt, während der gesamte elektrische Stromflusspfad sich entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung 102 erstreckt. Beispielsweise kann der elektrische Stromflusspfad durch die zweiten Nebenschlüsse 110 sich nicht parallel zur Fluidströmungsrichtung 104 erstrecken, aber insgesamt gesehen durch das thermoelektrische System 100 kann der elektrische Strompfad sich in einem Spiralmuster oder schrittweise entlang oder im Wesentlichen entlang der Leitung 102 erstrecken.
Wie in 5B schematisch dargestellt ist, kann sich ein erster Wärmepfad 120a zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid durch den mindestens einen Wärmetauscher 50, den mindestens einen ersten Nebenschluss 20, das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die Leitung 102 erstrecken, und kann sich ein zweiter Wärmepfad 120b zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid durch den mindestens einen Wärmetauscher 50, den mindestens einen ersten Nebenschluss 20, das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 30, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die Leitung 102 erstrecken. In Abhängigkeit von den relativen Temperaturen des ersten Fluids und des zweiten Fluids kann der Wärmestrom entlang oder im Wesentlichen entlang des ersten Wärmepfads 120a und des zweiten Wärmepfads 120b entweder vom ersten Fluid zum zweiten Fluid oder vom zweiten Fluid zum ersten Fluid verlaufen.
Wie vorstehend beschrieben wurde, können der mindestens eine Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der mindestens eine Wärmetauscher 50 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b mechanisch miteinander verbunden sein. Beispielsweise zeigen die 5A und 5B schematisch, dass die mehreren Wärmetauscher 50 benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 mechanisch miteinander verbunden sein können, wobei mindestens ein Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b elastisch (z. B. flexibel und elastisch verformbar) ist und in Antwort auf eine Bewegung zwischen Abschnitten des thermoelektrischen Systems 100 (z. B. eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen System 100 oder eine durch mechanische Erschütterungen des thermoelektrischen Systems 100 verursachte Bewegung) elastisch reagiert. Wie nachstehend unter Bezug auf die 11F–11I näher beschrieben wird, kann das thermoelektrische System 100 auch eine oder mehrere elektrisch isolierende Schichten (z. B. zwischen dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der benachbarten zweiten thermoelektrischen Einheit 10b) aufweisen, die die Wärmetauscher 50 benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 elektrisch voneinander isolieren. Beispielsweise kann die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht den elektrischen Stromflusspfad von dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und von der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b elektrisch isolieren (z. B. die mindestens eine in 5B dargestellte elektrisch isolierende Schicht 118). Als weiteres Beispiel kann die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht auf den endseitigen Lamellen 51 jeder thermoelektrischen Einheit 10 ausgebildet sein. Durch eine derartige Konfiguration ist die mindestens eine elektrisch isolierende Schicht außerhalb des Wärmestroms zwischen dem Wärmetauscher 50 und der Leitung 102 angeordnet, wodurch der thermische Widerstand des Wärmestrompfads vermindert wird. Eine derartige Konfiguration kann allerdings ein elektrisches Potential im zweiten Fluid (z. B. Gas), erzeugen, das wünschenswert sein kann oder nicht.
Die 6A und 6B zeigen schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 100, das mindestens ein elastisches Element 54 aufweist (z. B. eine ringförmige Balganordnung, die sich um die Leitung 102 erstreckt), wobei das mindestens eine elastische Element 54 zwischen den Wärmetauschern 50 benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 (z. B. dem mindestens einem Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b) angeordnet und mit diesen mechanisch verbunden ist. Das mindestens eine elastische Element kann mit den dargestellten und nachstehend unter Bezug auf die 11B–11I beschriebenen Strukturen kompatibel sein.
Das thermoelektrische System 100 kann mehrere Kartuschen 130 aufweisen, die jeweils mehrere der hierin beschriebenen thermoelektrischen Einheiten 10 aufweisen. Die Kartuschen 130 können in einem Gehäuse 131 eingeschlossen sein, das das mit den Wärmetauschern 50 der Kartuschen 130 in thermischer Kopplung strömende zweite Fluid enthält. Beispielsweise zeigen die 7A und 7B schematisch ein Beispiel mehrerer Kartuschen 130, die mit den beispielhaften thermoelektrischen Einheiten 10 und dem beispielhaften thermoelektrischen System 100 der 1–3, 5 und 6 kompatibel sind, innerhalb eines Gehäuses 131, und 7C zeigt schematisch ein Beispiel mehrerer Kartuschen 130, die mit den beispielhaften thermoelektrischen Einheiten 10 und dem beispielhaften thermoelektrischen System 100 von 4 kompatibel sind, innerhalb eines Gehäuses 131. Das Gehäuse 131 kann derart konfiguriert sein, dass die Fluidströmung des zweiten Fluids in eine Richtung über die Kartuschen 130 gelenkt wird, die sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu den Kartuschen 130 erstreckt, sich parallel oder im Wesentlichen parallel zu den Kartuschen 130 erstreckt, oder unter einem von null verschiedenen Winkel zu den Kartuschen 130 erstreckt. Für Konfigurationen mit Lamellen 51 kann das Gehäuse derart konfiguriert sein, dass die Fluidströmung des zweiten Fluids entlang oder im Wesentlichen entlang den Lamellen 51 der Kartuschen 130 gelenkt wird (wie z. B. in den 7A und 7B dargestellt ist).
Die Kartuschen 130 können derart montiert werden, dass die Strömungen des ersten Fluids durch einige der Fluidleitungen 102 sich parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander (z. B. Parallelströmungen), antiparallel oder gegenläufig oder im Wesentlichen gegenläufig, aber parallel oder allgemein parallel zueinander (z. B. Gegenstrom), senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zueinander (z. B. Kreuzstrom) oder unter anderen Winkeln und Richtungen relativ zueinander erstrecken. Außerdem können die Kartuschen 130 verschiedene Orientierungen relativ zueinander und relativ zur Strömung des zweiten Fluids haben (z. B. in mindestens einer unter der x-, y- oder z-Richtung gedreht sein), um den Einbauraum hinsichtlich des Druckabfalls und der Wärmeübertragung vorteilhafter auszunutzen. Die Kartuschen 130 können in Reihenkonfigurationen sowie in gestaffelten Konfigurationen mit unterschiedlichen Abständen angeordnet sein.
Das thermoelektrische System 100 kann mehrere Leitelemente 180 aufweisen, die dafür konfiguriert sind, die Gleichmäßigkeit der Strömung zu verbessern und die Wärmeübertragung zwischen dem zweiten Fluid und den Kartuschen 130 zu verbessern. Beispielsweise können, wie in den 7D–7G schematisch dargestellt ist, verschiedene Konfigurationen der Leitelemente 180 die Strömung des zweiten Fluids um die Kartuschen 130 herum umleiten. Die Leitelemente 180 können auch die Grenzschicht aufbrechen, um die Wärmeübertragung zu erhöhen. Es können auch andere auf dem Fachgebiet von ”Röhren”(”Shell- and Tube”)wärmetauschern bekannte Leitverfahren und -konfigurationen mit den Kartuschen verwendet werden.
Wie in den 5A und 6A schematisch dargestellt ist, kann das thermoelektrische System 100 eine erste Kappe 132 aufweisen, die sich an einem ersten Ende des thermoelektrischen Systems 100 um die Leitung 102 erstreckt, und eine zweite Kappe 134, die sich an einem zweiten Ende des thermoelektrischen Systems 100 um die Leitung 102 erstreckt. Die erste Kappe 132 und die zweite Kappe 134 können dafür konfiguriert sein, die thermoelektrischen Elemente 30, 40 in einer Inertgasatmosphäre einzuschließen. Beispielsweise können in Konfigurationen, in denen die thermoelektrischen Einheiten 10 mindestens ein elastisches Element 54 aufweisen, das zwischen den Wärmetauschern 50 benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 angeordnet und mechanisch damit verbunden ist, die erste Kappe 132, die zweite Kappe 134, die mehreren Wärmetauscher 50 und die mehreren elastischen Elemente 54 mindestens einen Teil eines Gehäuses bilden, das die ersten thermoelektrischen Elemente und die zweiten thermoelektrischen Elemente enthält. Beispielsweise kann das Gehäuse die ersten thermoelektrischen Elemente und die zweiten thermoelektrischen Elemente innerhalb des Gehäuses hermetisch abdichten. Die erste Kappe 132 und die zweite Kappe 134 können mindestens eine mechanisch elastische Halterung 135 aufweisen (z. B. einen Faltenbalg), die dafür konfiguriert ist, mit dem Gehäuse 131 mechanisch verbunden zu werden (wie beispielsweise in 7A dargestellt ist) und sich in Antwort auf eine Wärmeausdehnung oder Kontraktion innerhalb des thermoelektrischen Systems 100 zu verformen.
Wie in den 7A und 8A schematisch dargestellt ist, kann das thermoelektrische System 100 mindestens eine elektrische Leitung 136 aufweisen, die dafür konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung mit dem thermoelektrischen System 100 (z. B. mit den mehreren thermoelektrischen Einheiten 10) bereitzustellen. Beispielsweise kann, wie in den 5A, 6A, 6B, 7A und 8A dargestellt ist, die mindestens eine elektrische Leitung sich durch die erste Kappe 132 und/oder die zweite Kappe 134 in einer Richtung erstrecken, die sich allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung 104 erstreckt. Die mindestens eine elektrische Leitung 136 kann einen rohrförmigen oder allgemein rohrförmigen Abschnitt aufweisen, der mit der Leitung 102 koaxial ausgerichtet ist, wie in 8A schematisch dargestellt ist. Die mindestens eine elektrische Leitung 136 kann einen von der Leitung 102 versetzten Durchführungsabschnitt aufweisen, wie in den 6A–6B und in der Einfügung in 8A schematisch dargestellt ist. Wie durch die Einfügung in 7A schematisch dargestellt ist, können mindestens einige der elektrischen Leitungen 136 der Kartuschen 130 elektrisch in Reihe geschaltet sein, so dass der Stromflusspfad durch das thermoelektrische System 100 sich nacheinander durch zwei oder mehr Kartuschen 130 erstreckt.
Die mindestens eine elektrische Leitung 136 kann mit dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 elektrisch verbunden sein (z. B. mit dem kaltseitigen Nebenschluss in Konfigurationen, in denen das durch die Leitung 102 strömende Fluid kälter ist als das über die Wärmetauscher 50 strömende Fluid), oder mit dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 (z. B. mit dem kaltseitigen Nebenschluss in Konfigurationen, in denen das über die Wärmetauscher 50 strömende Fluid kälter ist als das durch die Leitung 102 strömende Fluid). Durch solche Konfigurationen kann eine Wärmeübertragung entlang der elektrischen Stromleitung, wodurch die Effizienz abnehmen könnte, vermindert oder verhindert werden. Beispielsweise können zwei elektrische Leitungen 136 direkt mit dem ersten und dem letzten kaltseitigen Nebenschluss des thermoelektrischen System 100 verbunden sein.
Die thermoelektrischen Elemente 30, 40 können (z. B. durch Hart- oder Weichlöten) sowohl an dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 als auch an dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 mechanisch befestigt sein. In Konfigurationen, in denen einer dieser Verbindungen nicht hart- oder weichgelötet ist, kann das thermoelektrische System 100 mindestens ein elastisches Element 138 (z. B. mindestens eine Feder) zwischen den mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 (z. B. zwischen der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b) und der erste Kappe 132 und/oder der zweiten Kappe 134 aufweisen, wie in den 5A, 6B, 7A und 8B schematisch dargestellt ist. Das mindestens eine elastische Element 138 kann eine Druckkraft erzeugen, die die mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und die mehreren zweiten Nebenschlusses 110 (z. B. die erste thermoelektrische Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b) in einer Richtung zusammendrückt, die sich allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung 104 erstreckt. Ein Grenzflächenmaterial (z. B. eine thermisch leitfähige und elektrisch leitfähige Folie) kann eingefügt werden, um die thermische Kopplung und die elektrische Verbindung zwischen den thermoelektrischen Elementen 30, 40 und den Nebenschlüssen 20, 110 zu verbessern. Das mindestens eine elastische Element 138 kann es ermöglichen, dass die thermoelektrischen Elemente 30, 40 ständig zusammengedrückt werden, was ein bevorzugter Zustand für thermoelektrische Materialien ist. Wie in 8B schematisch dargestellt ist, kann ein Faltenbalg (z. B. aus Kupfer) sowohl als die mindestens eine elektrische Leitung 136 als auch als das mindestens eine elastische Element 138 dienen, wodurch eine Wärmeausdehnung kompensiert und eine konstante Kraft auf die thermoelektrischen Elemente 30, 40 aufrechterhalten wird, während er als eine der beiden elektrische Leitungen 136 des thermoelektrischen Systems 100 dient.
Die Fluidleitung 102 kann derart konfiguriert sein, dass der Strömungseinlass und der Strömungsauslass sich am gleichen Ende des thermoelektrischen Systems 100 befinden, wobei der Strömungseinlass und der Strömungsauslass in verschiedenen (z. B. entgegengesetzten oder allgemein entgegengesetzten) Richtungen voneinander erfolgt, wodurch in bestimmten Konfigurationen Einbauvorteile bereitgestellt werden. Beispielsweise zeigen die 8C und 8D schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 100 mit einer Fluidleitung 102 mit einem inneren Rohr 102b und einem äußeren Rohr 102b, die (beispielsweise an einem Endabschnitt 102c) in Fluidkommunikation miteinander stehen. Das innere Rohr 102a kann koaxial zum äußeren Rohr 102b angeordnet sein. In anderen derartigen Konfigurationen kann die Fluidleitung 102 an einem Ende der Fluidleitung 102 U-förmige Rohrabschnitte aufweisen.
Die 8E–8G zeigen schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 100 mit einer Fluidleitung 102 mit einer oder mehreren Vertiefungen 103 und mindestens einem zweiten Nebenschluss 110 mit mindestens einem Vorsprung 113, der sich in eine entsprechende Vertiefung 103 der Fluidleitung 102 erstreckt. Die in den 8E–8G dargestellten zweiten Nebenschlüsse 110 haben jeweils die Form eines Kreisringsektors (z. B. tortenstück-/keilförmig) und sind entlang oder allgemein entlang des Umfangs der Fluidleitung 102 in einer Richtung, die sich allgemein senkrecht zur Fluidströmungsrichtung 104 erstreckt, elektrisch voneinander isoliert, was dazu beitragen kann die Spannung für das thermoelektrische System 100 zu erhöhen. Die Vertiefungen 103 des beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 der 8E–8G können Nuten aufweisen, wobei die Vorsprünge 113 derart konfiguriert sind, dass sie in die Nuten passen und sich in Antwort auf eine Wärmeausdehnung oder Kontraktion des thermoelektrischen Systems 100 innerhalb der Nuten radial bewegen. Beispielsweise können die Vorsprünge 113 allgemein flache Abschnitte aufweisen, die sich in die Nuten erstrecken und sich radial nach innen ausdehnen, wenn sich die Fluidleitung 102 mit einer höheren Rate dehnt als der mindestens eine zweite Nebenschluss 110. In den Vertiefungen zwischen der Fluidleitung 102 und dem mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 kann ein wärmeleitendes Schmiermittel angeordnet werden, um einen besseren Wärmekontakt und eine Schmierung für die durch die radiale Wärmeausdehnung oder Kontraktion verursachte Bewegung zu erhalten.
Kartuschenkonfiguration für einmaligen Stromdurchgang
Die 9A–9D zeigen schematisch verschiedene Ansichten eines beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 (9A: perspektivische Teilansicht; 9B: perspektive Teil-Explosionsansicht; 9C: perspektivische Querschnittansicht; 9D: Seiten-Querschnittansicht), bei dem der elektrische Stromflusspfad die erste thermoelektrische Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b (z. B. jede thermoelektrische Einheit 10 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und jeden zweiten Nebenschluss 110 der mehreren zweiten Nebenschlüsse 110) nur einmal durchläuft. Das beispielhafte thermoelektrische System 100 der 9A–9D kann ein kaltes erstes Fluid aufweisen, das durch die Leitung 102 und entlang oder allgemein entlang einer Außenfläche des thermoelektrischen Systems 100 strömt, und ein warmes zweites Fluid, das entlang einer Außenfläche des thermoelektrischen Systems 100 strömt, wie in 9A dargestellt ist, die gleiche Struktur kann aber auch für eine Konfiguration mit einem warmen ersten Fluid und einem kalten zweiten Fluid verwendet werden.
Der mindestens eine erste Nebenschluss 20 jeder thermoelektrischen Einheit 10 ist einheitlich und ringförmig ausgebildet, und jeder des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 ist einheitlich und ringförmig ausgebildet. Obwohl die Wärmetauscher 50 der 9A–9D die Außenflächen der ersten Nebenschlüsse 20 bilden, können andere Konfigurationen Lamellen oder andere Vorsprünge oder Strukturen als die Wärmetauscher 50 aufweisen. Es können p- und n-dotierte thermoelektrische Elemente auf gegenüberliegenden Seiten jeder der thermoelektrischen Einheiten 10 angeordnet werden, um pnpn-Übergänge zu bilden, und Wärme kann in der radialen Richtung der Kartusche 130 von den zweiten Nebenschlüssen 110 zu den thermoelektrischen Elementen 30, 40, zu den ersten Nebenschlüssen 20 und zur Leitung 102 übertragen werden. Elektrischer Strom kann in einer axialen Richtung der Kartusche 130 von einer positiven Elektrode an einem Ende der Kartusche 130 zu einer negativen Elektrode am anderen Ende der Kartusche 130 fließen. Die durch die Kartusche 130 erzeugte Energie kann eine Funktion der warm- und der kaltseitigen Temperatur, des Wärmestroms und der Effizienz des thermoelektrischen Systems 100 und dessen Komponenten sein. Die Spannung der Kartusche 130 (z. B. die Potentialdifferenz zwischen der positiven und der negativen Elektrode) kann proportional zum Produkt aus der Anzahl erster Nebenschlüsse 20 und der Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite sein.
Beispielsweise können, wie in 9D dargestellt ist, das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 auf einer ersten Seite des ersten Nebenschlusses 20 alle p-dotiert und elektrisch parallel geschaltet sein (indem sie z. B. mit dem ersten Nebenschluss 20 und/oder mit dem zweiten Nebenschluss 110 elektrisch verbunden sind). Das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 auf einer zweiten Seite des ersten Nebenschlusses 20 (beispielsweise gegenüberliegend oder allgemein gegenüberliegend der ersten Seite) können alle n-dotiert und elektrisch parallel geschaltet sein (indem sie z. B. mit dem ersten Nebenschluss 20 und/oder mit dem zweiten Nebenschluss 110 elektrisch verbunden sind). Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 und das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 können elektrisch in Reihe geschaltet sein (indem sie z. B. mit dem ersten Nebenschluss 20 und/oder mit dem zweiten Nebenschluss 110 elektrisch verbunden sind). In einer solchen Konfiguration fließt elektrischer Strom von einem zum anderen Ende des thermoelektrischen Systems 100, indem er einmal durch die thermoelektrischen Einheiten 10 und die zweiten Nebenschlüsse 110 fließt.
Kartuschenkonfiguration für zweimaligen Stromdurchgang
Die 10A–10D zeigen schematisch verschiedene Ansichten eines anderen beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 (10A: perspektivische Ansicht; 10B: perspektive Teil-Explosionsansicht; 10C: perspektivische Querschnittansicht; 10D: Seiten-Querschnittansicht), wobei der elektrische Stromflusspfad die erste thermoelektrische Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b mindestens zweimal durchläuft (z. B. durch jede thermoelektrische Einheit 10 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und jeden zweiten Nebenschluss 110 der mehreren zweiten Nebenschlüsse 110).
Der Konfiguration mit zweimaligem Stromdurchgang kann die Verwendung einer ähnlichen Kartuschengeometrie wie diejenige der 9A–9D ermöglichen, die dazu geeignet ist, ähnliche Ausgangsleistungen, aber mit einer doppelt so großen Ausgangsspannung zu erzielen. Ein solches Ergebnis kann durch die Verwendung zweier einzelner Halbringe für den ersten Nebenschluss 20 und zweier einzelner Halbringe für den zweiten Nebenschluss 110 erzielt werden. Die Hälften des ersten und des zweiten Nebenschlusses 20, 110 können unter Verwendung elektrisch isolierender Schichten (z. B. Gas, Vakuum, Oxidschichten, wie durch Plasmaspritzen aufgebrachtes Aluminiumoxid, Bornitrid, Kunststoff, Gummi oder andere dielektrische Materialien) elektrisch isoliert sein. Wie nachstehend beschrieben ist, kann der Stromfluss von der positiven Elektrode zum ersten Halbring mit p-dotierten thermoelektrischen Elemente zu n-dotierten thermoelektrischen Elementen zu einem nächsten Halbring mit p-dotierten Elementen usw. erfolgen. Am Ende der Kartusche 130 können p-dotierte thermoelektrische Elemente des letzten Halbrings mit n-dotierten thermoelektrischen Elementen des Halbrings an der gleichen axialen Stelle verbunden sein (z. B. durch einen Jumper am Ende der Kartusche 130 entweder innerhalb der Kartusche 130 oder außerhalb der Kartusche 130), und der Stromfluss kann zur Vorderseite der Kartusche 130 und zu einer negativen Elektrode zurück gerichtet sein. Die Energieerzeugung des beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 der 10A–10D ist derjenigen des beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 der 9A–9D mit einmaligem Stromdurchgang ähnlich, und die Spannung ist doppelt so hoch wie bei der Konfiguration mit einmaligem Stromdurchgang. Eine Verminderung der Energieerzeugung kann der im zusätzlichen Jumper in der Kartusche 130 erzeugten Jouleschen Wärme entsprechen.
Das beispielhafte thermoelektrische System 100 der 10A–10D kann ein durch die Leitung 102 strömendes kaltes erstes Fluid und ein entlang oder allgemein entlang einer Außenfläche des thermoelektrischen Systems 100 strömendes warmes zweites Fluid aufweisen, wie in 10A dargestellt, die gleiche Struktur kann aber auch für Konfigurationen mit einem warmen ersten Fluid und einem kalten zweiten Fluid verwendet werden. Obwohl die Wärmetauscher 50 der 10A–10D die Außenflächen des ersten Nebenschlusses 20 bilden, können andere Konfigurationen Lamellen oder andere Vorsprünge oder Strukturen als die Wärmetauscher 50 aufweisen.
Im beispielhaften thermoelektrischen System 100 der 10A–10D weist der mindestens eine erste Nebenschluss 20 ein erstes Segment 140, ein zweites Segment 142 und ein elektrisch isolierendes Material 144 (beispielsweise ein Gas in einem Zwischenraum) zwischen dem ersten Segment 140 und dem zweiten Segment 142 auf. Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 weist ein erstes Segment 170, ein zweites Segment 172 und ein elektrisch isolierendes Material 174 (beispielsweise ein Gas in einem Zwischenraum) zwischen dem ersten Segment 170 und dem zweiten Segment 172 auf. Beispielsweise können das erste Segment 140 und das zweite Segment 142 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 jeweils einen Halbring aufweisen, und das erste Segment 170 und das zweite Segment 172 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 können jeweils einen Halbring aufweisen. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann mindestens ein erstes p-dotiertes thermoelektrisches Element 150 und mindestens ein erstes n-dotiertes thermoelektrisches Element 152 aufweisen. Das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 kann mindestens ein zweites p-dotiertes thermoelektrisches Element 160 und mindestens ein zweites n-dotiertes thermoelektrisches Element 162 aufweisen.
Das erste Segment 140 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 kann zwischen mindestens einem ersten p-dotierten thermoelektrischen Element 150 und mindestens einem zweiten n-dotierten thermoelektrischen Element 162 sandwichartig angeordnet sein. Das zweite Segment 142 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 kann zwischen mindestens einem ersten n-dotierten thermoelektrischen Element 152 und mindestens einem zweiten p-dotierten thermoelektrischen Element 160 sandwichartig angeordnet sein. Das erste Segment 170 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 kann zwischen mindestens einem zweiten n-dotierten thermoelektrischen Element 162 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und mindestens einem ersten p-dotierten thermoelektrischen Element 150 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b sandwichartig angeordnet sein. Das zweite Segment 172 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 kann zwischen mindestens einem zweiten p-dotierten thermoelektrischen Element 160 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und mindestens einem ersten n-dotierten thermoelektrischen Element 152 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b sandwichartig angeordnet sein.
Wie in 10D dargestellt ist, kann mindestens ein erstes p-dotiertes thermoelektrisches Element 150 an einer ersten Seite des ersten Segments 140 des ersten Nebenschlusses 20 mit mindestens einem zweiten n-dotierten thermoelektrischen Element 162 auf einer zweiten Seite (z. B. gegenüberliegend oder allgemein gegenüberliegend der ersten Seite) des ersten Segments 140 des ersten Nebenschlusses 20 elektrisch in Reihe geschaltet sein (indem es z. B. mit dem ersten Segment 140 des ersten Nebenschlusses 20 elektrisch verbunden ist). Mindestens ein erstes n-dotiertes thermoelektrisches Element 152 an einer ersten Seite des zweiten Segments 142 des ersten Nebenschlusses 20 kann mit mindestens einem zweiten p-dotierten thermoelektrischen Element 160 auf einer zweiten Seite (z. B. gegenüberliegend oder allgemeinen gegenüberliegend der ersten Seite) des zweiten Segments 142 des ersten Nebenschlusses 20 elektrisch in Reihe geschaltet sein (indem es z. B. mit dem zweiten Segment 142 des ersten Nebenschlusses 20 elektrisch verbunden ist). Mindestens ein zweites n-dotiertes thermoelektrisches Element 162 an einer ersten Seite des ersten Segments 170 des zweiten Nebenschlusses 110 kann mit mindestens einem ersten p-dotierten thermoelektrischen Element 150 auf einer zweiten Seite (z. B. gegenüberliegend oder allgemeinen gegenüberliegend der ersten Seite) des ersten Segments 170 des zweiten Nebenschlusses 110 elektrisch in Reihe geschaltet sein (indem es z. B. mit dem ersten Segment 170 des zweiten Nebenschlusses 110 elektrisch verbunden ist). Mindestens ein zweites p-dotiertes thermoelektrisches Element 160 an einer ersten Seite des zweiten Segments 172 des zweiten Nebenschlusses 110 kann mit mindestens einem ersten n-dotierten thermoelektrischen Element 152 auf einer zweiten Seite (z. B. gegenüberliegend oder allgemein gegenüberliegend der ersten Seite) des zweiten Segments 172 des zweiten Nebenschlusses 110 elektrisch in Reihe geschaltet sein (indem es z. B. mit dem zweiten Segment 172 des zweiten Nebenschlusses 110 elektrisch verbunden ist).
In einer solchen Konfiguration kann elektrischer Strom von einem Ende des thermoelektrischen Systems 100 derart fließen, dass er die erste thermoelektrische Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b mindestens zweimal durchläuft und zurück zum einen Ende des thermoelektrischen Systems 100 fließt (z. B. durch einen geeigneten elektrischen Verbinder oder Jumper am anderen Ende des thermoelektrischen Systems 100). Beispielsweise kann der elektrische Stromflusspfad das erste Segment 140 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a, das erste Segment 170 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 und das erste Segment 140 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b einmal durchlaufen, und kann der elektrische Stromflusspfad das zweite Segment 142 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b, das zweite Segment 172 des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 und das zweite Segment 142 des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a einmal durchlaufen.
Kartuschenkonfiguration für mehrmaligen Stromdurchgang
Durch Verallgemeinerung der Konfiguration der 10A–10D kann der elektrische Stromflusspfad durch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 100 die erste thermoelektrische Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b mehrmals durchlaufen (z. B. jede thermoelektrische Einheit 10 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 10 und jeden zweiten Nebenschluss 110 der mehreren zweiten Nebenschlüsse 110 durchlaufen). Die ersten Nebenschlüsse 20 und die zweiten Nebenschlüsse 110 können in 2, 3, 4, 5, ... k Ringsegmente geteilt sein, wobei k eine beliebige positive ganze Zahl sein kann. Die Spannung der Kartusche 130 kann dann als die k-fache Spannung einer äquivalenten Kartusche 130 mit einmaligem Stromdurchgang berechnet werden. Wenn k eine ungerade ganze Zahl ist, können die positiven und negativen Elektroden an gegenüberliegenden Enden der Kartusche 130 angeordnet sein. Wenn k eine gerade ganze Zahl ist, können die positiven und negativen Elektroden auf der gleichen Seite der Kartusche 130 angeordnet sein.
Der mindestens eine erste Nebenschluss 20 kann mehrere erste Segmente mit einem elektrisch isolierendem Material zwischen mindestens einigen der ersten Segmente aufweisen. Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 30 kann mehrere p-dotierte thermoelektrische Elemente und mehrere n-dotierte thermoelektrische Elemente aufweisen. Das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 40 kann mehrere p-dotierte thermoelektrische Elemente und mehrere n-dotierte thermoelektrische Elemente aufweisen. Jedes erste Segment der mehreren ersten Segmente kann zwischen einem thermoelektrischen Element des mindestens einen ersten thermoelektrischen Elements 30 und einem thermoelektrischen Element des mindestens einen zweiten thermoelektrischen Elements 40 mit verschiedenen Dotierungstypen sandwichartig angeordnet sein. Der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 kann mehrere zweite Segmente mit einem elektrisch isolierenden Material zwischen mindestens einigen der zweiten Segmente aufweisen. Jedes zweite Segment der mehreren zweiten Segmente kann zwischen einem thermoelektrischen Element des mindestens einen zweiten thermoelektrischen Elements 40 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und einem thermoelektrischen Element des mindestens einen ersten thermoelektrischen Elements 30 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b mit unterschiedlichen Dotierungstypen sandwichartig angeordnet sein. In einer solchen Konfiguration kann elektrischer Strom von einem Ende des thermoelektrischen System 100 die erste thermoelektrische Einheit 10a, den mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b mehrmals durchlaufen (z. B. durch einen geeigneten elektrischen Verbinder am anderen Ende des thermoelektrischen Systems 100).
Elastisches Element, das thermoelektrische Einheiten mechanisch verbindet
Die 5A–5B und 6A–6B zeigen schematisch beispielhafte thermoelektrische Systeme 100 mit thermoelektrischen Einheiten 10, die durch mindestens ein elastisches Element 54 mechanisch miteinander verbunden sind. Das thermoelektrische System 100 kann mindestens einen Abschnitt einer rohrförmigen oder allgemein rohrförmigen Fluidleitung 102 aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass ein Fluid den mindestens einen Abschnitt der rohrförmigen oder allgemein rohrförmigen Fluidleitung 102 entlang oder im Wesentlichen entlang einer Richtung 104 durchströmt. Das thermoelektrische System 100 kann ferner mindestens zwei thermoelektrische Einheiten 10 aufweisen, die sich um die Leitung 102 erstrecken und mit der Leitung 102 thermisch gekoppelt sind. Die mindestens zwei thermoelektrischen Einheiten 10 können eine erste thermoelektrische Einheit 10a und eine zweite thermoelektrische Einheit 10b aufweisen. Jede der ersten und der zweiten thermoelektrischen Einheiten 10a, 10b kann mindestens einen ersten Nebenschluss 20, mehrere thermoelektrische Elemente 30, 40 und mindestens einen Wärmetauscher 50 aufweisen. Die mehreren thermoelektrischen Elemente 30, 40 können mit dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden und von der Leitung 102 elektrisch isoliert sein. Mindestens ein Abschnitt des mindestens einen ersten Nebenschlusses 20 kann zwischen mindestens zwei thermoelektrischen Elementen 30, 40 der mehreren thermoelektrischen Elemente 30, 40 sandwichartig angeordnet sein. Der mindestens eine Wärmetauscher 50 kann mit dem mindestens einen ersten Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt sein.
Das thermoelektrische System 100 kann ferner mindestens ein elastisches Element 54 aufweisen, das die erste thermoelektrische Einheit 10a und die zweite thermoelektrische Einheit 10b mechanisch verbindet. Das mindestens eine elastische Element 54 kann derart konfiguriert sein, dass es in Antwort auf eine Bewegung zwischen den Abschnitten des thermoelektrischen Systems 100 (z. B. eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion im thermoelektrischen Systems 100 oder eine durch mechanische Erschütterungen des thermoelektrischen Systems 100 verursachte Bewegung) elastisch reagiert (sich beispielsweise elastisch, teilweise elastisch oder unelastisch verformt). Das mindestens eine elastische Element 54 kann an einem oder an beiden Enden des mindestens einen Wärmetauschers 50 angeordnet und mit dem mindestens einen Nebenschluss 20 thermisch gekoppelt sein. Das mindestens eine elastische Element 54 kann derart konfiguriert sein, dass es mit dem mindestens einen Wärmetauscher 50 einer benachbarten thermoelektrischen Einheit 10 mechanisch verbunden ist.
Wie in 1B schematisch dargestellt ist, weist das mindestens eine elastische Element 54 mindestens einen Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers 50 mindestens einer der ersten und zweiten thermoelektrischen Einheit 10a, 10b auf. Beispielsweise weist der mindestens eine Wärmetauscher 50 mehrere Lamellen 51 auf und weist das mindestens eine elastische Element 54 mindestens eine Lamelle 51 der mehreren Lamellen 51 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a auf. Die mindestens eine Lamelle 51 kann an mindestens eine Lamelle 51 der mehreren Lamellen 51 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b angeschweißt sein.
Wenn die thermoelektrische Einheit 10 erwärmt wird (indem beispielsweise ein Heißgasstrom über den mindestens einen Wärmetauscher 50 strömt), kann sich die thermoelektrische Einheit 10 (z. B. der mindestens eine Nebenschluss 20 und der mindestens eine Wärmetauscher 50) entlang oder im Wesentlichen entlang einer Achse bezüglich seiner Mittelebene (als gestrichelte Linie in 1B dargestellt) ausdehnen (durch Pfeile dargestellt). Um diese Ausdehnung zu kompensieren, ermöglicht das mindestens eine elastische Element 54 an jedem Ende des mindestens einen Wärmetauschers 50 die axiale Wärmeausdehnung der thermoelektrischen Einheiten 10, ohne dass der mindestens eine Nebenschluss 20 einer thermoelektrischen Einheit 10 zum mindestens einen Nebenschluss 20 der benachbarten thermoelektrischen Einheit 10 kurzgeschlossen wird (wodurch z. B. ein elektrischer Pfad vom Nebenschluss 20 zum anderen Nebenschluss 20 entsteht, der die thermoelektrischen Elemente 30, 40 zwischen den beiden Nebenschlüssen 20 umgeht).
Die 11A bis 11I zeigen schematisch verschiedene Konfigurationsbeispiele des elastischen Elements 54 mit mindestens einem Balg 55, der mit der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der zweite thermoelektrischen Einheit 10b mechanisch verbunden ist. Der Balg 55 kann zwischen jedem Paar benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 angeordnet sein und kann die Wärmeausdehnung oder Kontraktion in der axialen Richtung der thermoelektrischen Einheiten 10 ausgleichen.
Der Balg 55 von 11A ist mit den Lamellen 51 des mindestens einen Wärmetauschers 50 integriert. Beispielsweise können die Lamellen 51 an jedem Ende des Wärmetauschers 50 geeignet geformt und an der benachbarten Lamelle 51 des benachbarten Wärmetauschers 50 angeschweißt sein. Die Lamellen 51 können gestanzt, geformt, maschinell bearbeitet oder auf eine beliebige Weise hergestellt werden und derart konfiguriert sein, dass die Lamellen 51 an beiden Enden des mindestens einen Wärmetauschers 50 sich in Antwort auf eine Wärmeausdehnung der thermoelektrischen Einheiten 10 biegen. Das mindestens eine elastische Element 54 kann mindestens ein Kompensator sein, der mit der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b mechanisch verbunden ist.
Die 11B und 11C zeigen schematisch beispielhafte elastische Elemente 54, die mindestens einen Balg 55 aufweisen, der eine von den Lamellen 51 des mindestens einen Wärmetauschers 50 getrennte Komponente ist und mit der ersten und mit der zweiten thermoelektrischen Einheit 10a, 10b mechanisch verbunden ist (z. B. mit dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b). Der mindestens eine Balg 55 kann ringförmig ausgebildet sein und die Leitung 102 umschließen. Die Verbindung zwischen den beiden Wärmetauschern 50 weist eine ”geschweißte Balgfaltung” aus zwei gestanzten Scheiben auf, die durch eine Laser- oder Wolfram-Inertgas(TIG)schweißung auf einem Innendurchmesser- oder Außendurchmesserumfang miteinander verbunden sind. Diese hergestellten elastischen Elemente 54 können als eine Gruppe zum Herstellen von Kompensatoren zwischen zwei Wärmetauschern 50 montiert werden, und die Ränder können an den Enden benachbarter thermoelektrischer Einheiten 10 an die Lamellen 51 angeschweißt werden. Das elastische Element 54 kann in einer regulären Konfiguration montiert werden (11B) oder in einer umgekehrten Konfiguration (11C). Die 11D und 11E zeigen schematisch beispielhafte Bälge 55, die an Stelle einer Falte zwei geschweißte Teile aufweisen, die Bälge 55 sind ein einzelnes einheitliches Teil, das derart ausgebildet ist, dass es ein oder mehrere Falten aufweist.
Die 11F–11I zeigen schematisch beispielhafte elastische Elemente 54, die mindestens einen elektrisch isolierenden Abschnitt 56 aufweisen, der mit der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und/oder der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b mechanisch verbunden ist. In den 11F und 11G weist der mindestens eine elektrisch isolierende Abschnitt 56 ein festes Material (z. B. Keramik) auf, das mit dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und mit dem mindestens einen Wärmetauscher 50 der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b mechanisch verbunden ist (z. B. einen Keramikring, der an der Verbindungsstelle zweier gestanzter metallischer Lamellen 51 durch Hartlöten angebracht ist). Der elektrisch isolierende Abschnitt 56 kann als Teil einer Faltenbalganordnung eingefügt sein (z. B. als Teil des Balgs 55 in den 11B und 11C), oder kann während des Stapelns als Teil der Herstellung des thermoelektrischen Systems 100 zwischen den beiden Wärmetauschern 50 mit integrierten elastischen Lamellen 51 montiert werden (wie beispielsweise in 11A dargestellt ist). 11H zeigt schematisch ein beispielhaftes elastisches Element 54, bei dem der mindestens eine elektrisch isolierende Abschnitt 56 eine dielektrische Schicht (z. B. mindestens eine Keramikschicht oder eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte Aluminiumoxidschicht) auf mindestens einem des mindestens einen Wärmetauschers 50 der ersten und der zweiten thermoelektrischen Einheit 10a, 10b aufweist (beispielsweise auf einer oder beiden metallischen Lamellen 51 oder auf Balgabschnitten), die anschließend (z. B. durch Hartlöten) miteinander verbunden werden können. 11I zeigt schematisch ein beispielhaftes elastisches Element 54, bei dem der elektrisch isolierende Abschnitt 56 anstatt an der Verbindungsstelle zweier gestanzter Scheiben auf einer Seite der Basis des Balgs 55 angeordnet ist. Eine solche Konfiguration ist beispielsweise mit den beispielhaften elastischen Elementen 54 der 11D und 11E kompatibel.
Wie vorstehend beschrieben wurde, kann das thermoelektrische System 100 mindestens einen zweiten Nebenschluss 110 aufweisen, der mit der Leitung 102 thermisch gekoppelt ist, von der Leitung 102 elektrisch isoliert ist und sich um die Leitung 102 erstreckt. Mindestens ein Abschnitt des mindestens einen zweiten Nebenschlusses 110 ist mit der ersten thermoelektrischen Einheit 10a und der zweiten thermoelektrischen Einheit 10b thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden und sandwichartig dazwischen angeordnet, so dass die erste thermoelektrische Einheit 10a, der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 und die zweite thermoelektrische Einheit 10b elektrisch in Reihe geschaltet sind. In solchen Konfigurationen kann der mindestens eine zweite Nebenschluss 110 zwischen dem mindestens einen Balg 55 und der Leitung 102 angeordnet sein (wie beispielsweise in den 5A–5B und 6A–6B dargestellt ist).
12A zeigt schematisch eine perspektivische Explosionsansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Systems 100 zum Darstellen eines Beispiels eines Herstellungsverfahrens zum Herstellen des thermoelektrischen Systems 100, und die 12B–12D zeigen einen beispielhaften Balg 55, einen beispielhaften zweiten Nebenschluss 110 und eine beispielhafte thermoelektrische Einheit 10. Das beispielhafte thermoelektrische System 100 weist mehrere thermoelektrische Einheiten 10, die jeweils einen ersten Nebenschluss 20, mehrere thermoelektrische Elemente 30, 40 und einen Wärmetauscher 50 mit mehreren Lamellen 51 aufweisen. Das beispielhafte thermoelektrische System 100 weist ferner eine Leitung 102, mehrere zweite Nebenschlüsse 110 und mehrere elastische Elemente 54 auf (z. B. einen Balg 55, der dafür konfiguriert ist, sich bei einer axialen Wärmeausdehnung oder Kontraktion der thermoelektrischen Einheiten 10 elastisch zu verformen). Die thermoelektrischen Einheiten 10, die zweiten Nebenschlüsse 110 und der Balg 55 können auf die Leitung 102 geschoben werden, um einen Stapel zu bilden, in dem die zweiten Nebenschlüsse 110 abwechselnd mit den thermoelektrischen Einheiten 10 angeordnet sind, die durch den Balg 55 mechanisch miteinander verbunden sind. Die Wärmetauscher 50 können durch Laserschweißen mit den benachbarten Bälgen 55 verbunden sein, ein oder mehrere elastische Elemente 138 (z. B. eine oder mehrere Federn) können an einem oder an beiden Enden des Stapels angeordnet sein, und die erste Kappe 132 und die zweite Kappe 134 können durch Laserschweißen an den Enden des Stapels befestigt sein. In einem anderen beispielhaften thermoelektrischen System 100 sind die Bälge 55 nicht vorhanden und können die äußersten Lamellen 51 der Wärmetauscher 50 nach außen zu den benachbarten Lamellen 51 der benachbarten Wärmetauscher 50 hin gebogen sein (um z. B. den Kontakt zwischen den äußersten Lamellen zu verbessern).
Lineare thermoelektrische Einheit und daraus erhaltene thermoelektrische Systeme
Der thermoelektrische Generator (TEG), der im US-Patent Nr. 2011/0067742 A1 beschrieben ist, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist, hat viele ausgezeichnete Eigenschaften. Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme nutzen viele dieser Eigenschaften, während gleichzeitig mehrere wesentliche Mängel behoben werden.
Es ist ein beispielhafter zylinderförmiger TEG entwickelt worden, der die Umfangsspannung eines sich thermisch ausdehnenden Zylinders innerhalb eines ringförmigen Nebenschlusses ausnutzt, um den thermischen Kontakt zu verbessern. Um die Umfangsspannung am besten zu nutzen, kann der Ring ein massiver oder ein geteilter Ring sein. Um große Massenströme aufnehmen und dabei den Druckabfall minimal zuhalten, kann der Durchmesser des zylinderförmigen TEG relativ groß sein, was zu vielen parallelen Verbindungen der Thermoelemente führt.
Diese mehrere parallelen Verbindungen können zu einem sehr hohen Strom und einer sehr niedrigen Spannung für den TEG führen. Dem System kann ein Stromrichter hinzugefügt werden, um die Spannung zu erhöhen und den Strom zu reduzieren, das kann aber zusätzliche Kosten verursachen, kann wertvollen Bauraum belegen und die Effizienz reduzieren. Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme verbessern vorteilhaft die Spannung/Strom-Aufteilung für den TEG.
Darüber hinaus können die vorstehend erwähnten großen Durchmesser zum Aufnehmen hoher Durchflüsse, während gleichzeitig ein niedriger Druckabfall aufrechterhalten wird, Einbauraumprobleme verursachen, insbesondere in Anwendungen wie Fahrzeug- oder Automobilanwendungen. Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme können eine erhebliche Verbesserung der Designflexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Einbauraumanforderungen bereitstellen.
Es kann vorteilhaft sein, in der Lage zu sein, Teile einer Konstruktion vor der Montage der gesamten Konstruktion zu testen. Im vorstehend beschriebenen TEG war es nicht möglich, Teile des TEG vor der Endmontage vollständig zu testen. Jeder ringförmige Nebenschluss konnte vor der Endmontage hinsichtlich des elektrischen Widerstands getestet werden, die vollständige thermoelektrische Leistungsfähigkeit konnte jedoch nicht bestätigt werden. Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme können eine erhebliche Verbesserung hinsichtlich der Modularität bereitstellen.
Einige Anwendungen können Abwärme nutzen, die anstatt an einer Stelle konzentriert zu sein eher diffus ist. So können beispielsweise die einzigen Stellen, an denen erfolgreich auf Abwärme zugegriffen werden kann, anstatt des Hauptfluidrohrs kleinere Kapillarröhrchen sein. Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme können die Möglichkeit eröffnen, einen TEG als ein verteiltes Abgas- und/oder Kühlmittelsystem zu konstruieren.
Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten und Systeme nutzen die herkömmliche zylinderförmige TEG-Konfiguration so weit wie möglich, während gleichzeitig Verbesserungen in der Modularität, der Spannung/Strom-Aufteilung und der Designflexibilität bereitgestellt werden. 13 zeigt einen zylinderförmigen TEG (der im US-Patent Nr. 2011/0067742 näher beschrieben ist, das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist), und die Einfügung in 13 und die 14A bis 14C zeigen schematisch eine beispielhafte lineare thermoelektrische Einheit 200, die verwendet werden kann, um einen derartigen zylinderförmigen TEG herzustellen.
Die beispielhafte lineare thermoelektrische Einheit 200 kann die gleichen Kaltrohr- und kaltseitigen Nebenschluss-Untereinheiten verwenden wie der vorstehend beschriebene zylinderförmige TEG. Die hierin beschriebene thermoelektrische Einheit 200 kann jedoch ein Warmrohr mit einem wesentlich kleineren Durchmesser haben und somit einen wesentlich kleineren ringförmigen warmseitigen Nebenschluss. Die hierin beschriebene thermoelektrische Einheit 200 kann in der Phase der Montage der linearen thermoelektrischen Einheit hermetisch eingeschlossen werden. Die thermoelektrische Einheit 200 kann mindestens einen Kaltrohr und mindestens ein Warmrohr aufweisen, die zusammen hermetisch eingeschlossen sind. Die thermoelektrische Einheit 200 kann mindestens drei Nebenschlüsse (z. B. zwei warmseitige Nebenschlüsse und einen kaltseitigen Nebenschluss oder zwei kaltseitige Nebenschlüsse und einen warmseitigen Nebenschluss) aufweisen.
Die 14A–14C zeigen schematisch verschiedene Ansichten einer beispielhaften thermoelektrischen Einheit 200 (14A: Seitenansicht; 14B: Endansicht; 14C: perspektivische Ansicht). Die thermoelektrische Einheit 200 kann mindestens eine erste Fluidleitung 210 aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass ein erstes Fluid die mindestens eine erste Fluidleitung 210 entlang oder im Wesentlichen entlang einer ersten Richtung 212 durchströmt. Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner mindestens eine zweite Fluidleitung 220 aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass ein zweites Fluid die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 parallel oder im Wesentlichen parallel zur ersten Richtung 212 durchströmt. Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner mehrere erste Nebenschlüsse 230 aufweisen, die derart konfiguriert sind, dass sie sich um mindestens einen Abschnitt der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 erstrecken und mit dem mindestens einen Abschnitt der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 thermisch gekoppelt sind. Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner mehrere zweite Nebenschlüsse 240 aufweisen, die derart konfiguriert sind, dass sie sich um mindestens einen Abschnitt der mindestens einen zweiten Fluidleitung 220 erstrecken und mit dem mindestens einen Abschnitt der mindestens einen zweiten Fluidleitung 220 thermisch gekoppelt sind. Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner mehrere erste thermoelektrische Elemente 250 aufweisen, die mit den mehreren ersten Nebenschlüssen 230 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden sind und von der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 und von der mindestens einen zweiten Fluidleitung 220 elektrisch isoliert sind. Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner mehrere zweite thermoelektrische Elemente 260 aufweisen, die mit den mehreren ersten Nebenschlüssen 230 und den mehreren zweiten Nebenschlüssen 240 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden sind. Jeder erste Nebenschluss 230 der mehreren ersten Nebenschlüsse 230 ist zwischen mindestens einem ersten thermoelektrischen Element 250 der mehreren ersten thermoelektrischen Elemente 250 und mindestens einem zweiten thermoelektrischen Element 260 der mehreren zweiten thermoelektrischen Elemente 260 sandwichartig angeordnet. Jeder zweite Nebenschluss 240 der mehreren zweiten Nebenschlüsse 240 ist zwischen mindestens einem ersten thermoelektrischen Element 250 der mehreren ersten thermoelektrischen Elemente 250 und mindestens einem zweiten thermoelektrischen Element 260 der mehreren zweiten thermoelektrischen Elemente 260 sandwichartig angeordnet.
Jede erste Fluidleitung 210 der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 kann rohrförmig oder allgemein rohrförmig ausgebildet sein und kann einen Umfang in einem Bereich zwischen 3 mm und 300 mm oder in einem Bereich zwischen 1 mm und 30 mm oder in einem Bereich zwischen 2 mm und 25 mm haben. Jede zweite Fluidleitung 220 der mindestens einen zweiten Fluidleitung 220 kann rohrförmig oder allgemein rohrförmig ausgebildet sein und kann einen Umfang in einem Bereich zwischen 3 mm und 300 mm oder in einem Bereich zwischen 1 mm und 30 mm oder in einem Bereich zwischen 2 mm und 25 mm haben. Die mindestens eine erste Fluidleitung 210 kann einen nicht-runden Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur ersten Richtung haben, und die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 kann einen nicht-runden Querschnitt in der Ebene senkrecht zur ersten Richtung haben.
Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner ein Gehäuse 270 aufweisen, das dafür konfiguriert ist, den mindestens einen Abschnitt der mindestens einen ersten Fluidleitung 210, den mindestens einen Abschnitt der mindestens einen zweiten Fluidleitung 220, die mehreren ersten Nebenschlüsse 230, die mehreren zweiten Nebenschlüsse 240, die mehreren ersten thermoelektrischen Elemente 250 und die mehreren zweiten thermoelektrischen Elemente 260 zu umschließen (z. B. hermetisch einzuschließen). Das Gehäuse 270 kann eine Breite in einem Bereich zwischen 1 mm und 50 mm oder in einem Bereich zwischen 1 mm und 100 mm und eine Höhe in einem Bereich zwischen 1 mm und 50 mm oder in einem Bereich zwischen 1 mm und 100 mm haben. Beispielsweise hat das Gehäuse 270, wie in 14 dargestellt ist, eine Breite von 25 mm und eine Höhe von 42 mm.
Die thermoelektrische Einheit 200 kann ferner mindestens einen elektrischen Verbinder 280 (z. B. Durchführungsstifte) aufweisen, die sich durch mindestens einen Abschnitt des Gehäuses 270 erstrecken. Der mindestens eine elektrische Verbinder 280 ist mit mindestens einem der mehreren ersten Nebenschlüsse 230 und der mehreren zweiten Nebenschlüsse 240 elektrisch verbunden. Der mindestens eine elektrische Verbinder 280 ist elektrisch leitend (hat beispielsweise einen vernachlässigbaren elektrischen Widerstand) und von den Kappen 132, 134 elektrisch isoliert (entweder durch ein elektrisch isolierendes Material oder durch einen Zwischenraum). Bei Konfigurationen, in denen die thermoelektrischen Elemente 250, 260 innerhalb des Gehäuses 270 hermetisch eingeschlossen sind, weist der mindestens eine elektrische Verbinder 280 eine hermetische Dichtung auf.
Das mindestens eine erste thermoelektrische Element 250, der mindestens eine erste Nebenschluss 230, das mindestens eine zweite thermoelektrische Element 260 und der mindestens eine zweite Nebenschluss 240 können elektrisch in Reihe geschaltet sein. In einer solchen Konfiguration kann sich ein elektrischer Stromflusspfad nacheinander durch die mehreren ersten thermoelektrischen Elemente 250, die mehreren ersten Nebenschlüsse 230, die mehreren zweiten thermoelektrischen Elemente 260 und die mehreren zweiten Nebenschlüsse 240 erstrecken.
In bestimmten derartigen Konfigurationen bilden die mehreren ersten thermoelektrischen Elemente 250, die mehreren ersten Nebenschlüsse 230, die mehreren zweiten thermoelektrischen Elemente 260 und die mehreren zweiten Nebenschlüsse 240 mindestens einen Stapel 290, der sich parallel oder im Wesentlichen parallel zur ersten Richtung erstreckt. Jeder erste Nebenschluss 230 der mehreren ersten Nebenschlüsse 230 kann sich von mindestens einem Stapel 290 zu der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 in einer zweiten Richtung erstrecken, die sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, und jeder zweite Nebenschluss 240 der mehreren zweiten Nebenschlüsse 240 kann sich von dem mindestens einen Stapel 290 zu der mindestens einen zweiten Fluidleitung 220 in einer dritten Richtung erstrecken, die sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, wobei die zweite Richtung der dritten Richtung entgegengesetzt oder allgemein entgegengesetzt ist. Jeder erste Nebenschluss 230 der mehreren ersten Nebenschlüsse 230 kann einheitlich sein, und jeder zweite Nebenschluss 240 der mehreren zweiten Nebenschlüsse 240 kann einheitlich sein.
Die 15 und 16A–16E zeigen schematisch beispielhafte thermoelektrische Systeme 300, die mehrere thermoelektrische Einheiten 200 aufweisen. Die mehreren thermoelektrischen Einheiten 200 des thermoelektrischen Systems 300 können eine oder mehrere thermoelektrische Einheiten 200, wie sie vorstehend unter Bezug auf die 14A–14C beschrieben wurden, mit einem Gehäuse 270 aufweisen. Die thermoelektrischen Einheiten 200 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 200 erstrecken sich in den Konfigurationen der 15 und 16A–16E parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander. Beispielsweise weist jede der thermoelektrischen Einheiten 200 mindestens einen Stapel 290 auf, der sich entlang oder im Wesentlichen entlang einer Richtung erstreckt, wobei die Stapel 290 der mehreren thermoelektrischen Einheiten 200 parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
Mindestens einige der thermoelektrischen Einheiten 200 können elektrisch parallel geschaltet sein. Mindestens einige der ersten Fluidleitungen 210 mindestens einiger der thermoelektrischen Einheiten 200 können in paralleler Fluidkommunikation miteinander stehen. Darüber hinaus können die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 mindestens einiger der thermoelektrischen Einheiten 200 in paralleler Fluidkommunikation miteinander stehen. Bestimmte derartige beispielhafte thermoelektrische Systeme 300 sind dafür konfiguriert, einen größeren Gasdurchfluss zu handhaben (um beispielsweise eine vorteilhafte interne Umleitung für heißes Abgas zu erhalten). In einigen Konfigurationen können mindestens einige der ersten Fluidleitungen 210 in einer seriellen Fluidkommunikation miteinander stehen. In einigen Konfigurationen können die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 mindestens einiger der thermoelektrischen Einheiten 200 in einer seriellen Fluidkommunikation miteinander stehen.
Im beispielhaften thermoelektrischen System 300 von 15 weisen die thermoelektrischen Einheiten 200 jeweils einen Stapel 290 entlang oder im Wesentlichen entlang einer ersten Richtung auf und sind mindestens einige der thermoelektrischen Einheiten 200 in einer allgemein kreisförmigen Konfiguration angeordnet (wobei z. B. die mindestens eine erste Fluidleitung 210 in einem ersten Kreis angeordnet ist, der sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt, und die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 in einem zweiten Kreis angeordnet ist, der sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung erstreckt). Wie in 15 dargestellt ist, kann der erste Kreis kleiner sein als der zweite Kreis.
16A zeigt schematisch eine beispielhafte thermoelektrische Einheit 200 mit zwei Stapeln 290 auf gegenüberliegenden oder allgemein gegenüberliegenden Seiten der mittigen ersten Fluidleitung 210. 16B zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 300 mit mehreren thermoelektrischen Einheiten 200, die mit den 14A–14C kompatibel sind, wobei in mindestens einigen der thermoelektrischen Einheiten 200 die mindestens eine erste Fluidleitung 210 in einer ersten Ebene und die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 in einer zweiten Ebene angeordnet ist, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zur ersten Ebene erstreckt. 16C zeigt schematisch ein beispielhaftes thermoelektrisches System 300 mit mehreren thermoelektrischen Einheiten 200, die mit 16A kompatibel sind, wobei in mindestens einigen der thermoelektrischen Einheiten 200 die mindestens eine erste Fluidleitung 210 in einer ersten Ebene und die mindestens eine zweite Fluidleitung 220 in einer zweiten Ebene angeordnet ist, die sich parallel oder im Wesentlichen parallel zur ersten Ebene erstreckt. Die 15 und 16A–16C verdeutlichen die Designflexibilität und die Fähigkeit, eine optimale Anpassung an verschiedenen Einbauräume zu erreichen, was durch bestimmte hier beschriebene thermoelektrische Einheiten 200 und Systeme 300 erzielt werden kann.
Die 17–19 zeigen schematisch verschiedene beispielhafte thermoelektrische Systeme 300, die dafür konfiguriert sind, in einem Fahrzeug- oder Automobil-Abgassystem installiert zu werden, wobei das erste Fluid ein Fahrzeugabgas ist, das durch die mindestens eine erste Fluidleitung 210 strömt. 17 zeigt schematisch eine beispielhafte Einbaukonfiguration eines thermoelektrischen Systems 300 für eine Fahrzeugabgasanwendung, das einen Satz von mehreren thermoelektrischen Einheiten 200 aufweist. 18 zeigt schematisch eine beispielhafte Einbaukonfiguration eines thermoelektrischen Systems 300 für eine Fahrzeugabgasanwendung, das zwei Sätze aus mehreren thermoelektrischen Einheiten 200 aufweist, wobei die beiden Sätze in Reihe angeordnet sind. Die beispielhaften thermoelektrischen Systeme 300 der 17 und 18 können die thermoelektrischen Einheiten 200 eines Satzes aufweisen, die in einer parallelen Fluidkommunikation miteinander stehen, und eine Umgehungsleitung 310, die in einer parallelen Fluidkommunikation mit der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 mindestens einiger der thermoelektrischen Einheiten 200 steht. Das thermoelektrische System 300 kann ferner ein Ventilsystem aufweisen, das dafür konfiguriert ist, die Fluidströmung durch die Umgehungsleitung 310 und/oder die mindestens eine erste Fluidleitung 210 zu leiten. Das Ventilsystem kann mindestens ein Proportionalventil aufweisen, das dafür konfiguriert ist, eine variable Strömungszuteilung zwischen der Umgehungsleitung 310 und der mindestens einen ersten Fluidleitung 210 zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Ventilsystem ein oder mehrere Ventile aufweisen, die dafür konfiguriert sind, einen Teil der Fluidströmung durch die Umgehungsleitung 310 und Teile der Fluidströmung durch die mindestens eine erste Fluidleitung 210 zu leiten (vergl. beispielsweise US-Patent Nr. 2010/0024859 , das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist).
19 zeigt schematisch ein Beispiel einer Einbaukonfiguration eines thermoelektrischen Systems 300 für ein Fahrzeugabgasanwendung, wobei das Abgas quer zu den thermoelektrischen Einheiten 200 strömt. Das thermoelektrische System 300 kann mindestens einen Krümmer aufweisen, der eine 90°-Grad-Änderung der Strömungsrichtung erzeugt, um zu erreichen, dass das Abgas durch die zweiten Fluidleitungen strömt.
Das thermoelektrische System 300 kann dafür konfiguriert sein, in einem Verbrennungssystem (beispielsweise in einem Fahrzeugabgassystem) installiert zu werden, wobei das erste Fluid ein Fahrzeugabgas ist, das durch die mindestens eine erste Fluidleitung strömt. In bestimmten Konfigurationen kann das erste Fluid durch durch ein Verbrennungssystem erzeugte Abwärme erwärmt werden (vergl. z. B. US-Patent Nr. 7608777 , das hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen ist).
Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Einheiten 200 und Systeme 300 können die Designflexibilität wesentlich verbessern und sind für einen breiten Bereich von Einbauräumen und Anwendungen, einschließlich eines verteilten Abgassystems, geeignet. Mehrere thermoelektrische Einheiten 200 können in einer Reihen-/Parallelschaltung elektrisch verbunden sein, um die gewünschte Spannung/Strom-Aufteilung besser anzupassen. Diese elektrische Aufteilung kann dynamisch gemacht werden, um Veränderungen von Betriebsbedingungen im thermoelektrischen System 300 besser auszugleichen.
Fluidleitungen oder -rohre mit kleinerem Durchmesser können weiterhin eine Umfangsspannung nutzen, um die thermische Kopplung zwischen dem warmen Wärmetauscher und dem warmen ringförmigen Nebenschluss zu verbessern, können aber weniger parallel angeordnete thermoelektrische Elemente aufweisen. Es können genug Leitungen oder Rohre mit kleinerem Durchmesser verwendet werden, um einen geeigneten Druckabfall aufrechtzuerhalten. Die Fluidleitung oder das Fluidrohr mit kleinerem Durchmesser kann auch ein besseres Management der radialen Wärmeausdehnung ermöglichen, weil weniger Fehlanpassungen erzeugt werden.
Indem jede thermoelektrische Einheit 200 ihre eigene Kapsel oder ihr eigenes Gehäuse 270 aufweist (z. B. mit einer hermetischen Dichtung), kann jede thermoelektrische Einheit 200 unabhängig getestet werden, bevor sie in einem fertigen thermoelektrischen System 300 angeordnet wird. Diese Modularität ist sehr vorteilhaft zum Bestimmen, ob eine fehlerhafte thermoelektrische Einheit 200 oder ein fehlerhafter Abschnitt eines TEG vorhanden ist, bevor das thermoelektrische System 300 endgültig fertiggestellt wird. Sie kann auch ermöglichen, dass eine beschädigte thermoelektrische Einheit 200 oder ein beschädigter Abschnitt eines TEG entfernt und ersetzt werden kann, ohne dass der gesamte TEG ersetzt werden muss.
Einheit mit eingeschlossenen thermoelektrischen Elementen
Der nachstehend beschriebene beispielhafte thermoelektrische Generator kann die Kombination aus zwei Fluids mit einem Temperaturunterschied verwenden, um durch die thermoelektrischen Elemente elektrische Energie zu erzeugen. Die Fluids können flüssig oder gasförmig oder eine Kombination aus beidem sein. Der beispielhafte thermoelektrische Generator kann je nach Anwendung, Ausgangsleistung oder Spannung eine einzelne thermoelektrische Einheit oder eine Gruppe thermoelektrischer Einheiten aufweisen.
20 zeigt schematisch eine beispielhafte thermoelektrische Einheit 400 mit einer Fluidleitung 410 mit einer ersten Oberfläche 412, einem Gehäuse 420 mit einer zweiten Oberfläche, mehreren thermoelektrischen Elementen 430, mehreren elektrisch leitenden und wärmeleitenden Nebenschlüssen 440 und mehreren Wärmetauschern 450, die mit dem Gehäuse 420 thermisch gekoppelt sind und sich vom Gehäuse 420 weg erstrecken. Die mehreren thermoelektrischen Elemente 430 können zwischen der ersten Oberfläche 412 und der zweiten Oberfläche 422 sandwichartig angeordnet und mit der ersten und der zweiten Oberfläche thermisch gekoppelt und elektrisch davon isoliert sein. Die mehreren Nebenschlüsse 440 können mit den mehreren thermoelektrischen Elementen 430 thermisch gekoppelt und elektrisch verbunden sein. Die mehreren Nebenschlüsse 440 können einen ersten Satz von Nebenschlüssen 442, die mit der Fluidleitung 410 thermisch gekoppelt sind, und einen zweiten Satz von Nebenschlüssen aufweisen, die mit dem Gehäuse 420 thermisch gekoppelt sind. 21 zeigt schematisch eine Endansicht der beispielhaften thermoelektrischen Einheit 400 von 20.
Die Fluidleitung 410 kann ein flach geformtes Metallrohr (z. B. für ein hindurchströmendes Niedertemperaturfluid) aufweisen, und mindestens ein Teil der ersten Oberfläche 412 kann im Wesentlichen flach sein. Die Fluidleitung 410 kann einen Einlass 414 und einen Auslass 416 aufweisen. Das Gehäuse 420 kann eine oder mehrere Metallschichten aufweisen, und die zweite Oberfläche kann im Wesentlichen flach sein. Wie in den 20 und 21 dargestellt ist, können die mehreren Wärmetauscher 450 mehrere Lamellen 452 aufweisen, die sich vom Gehäuse 420 weg erstrecken. Diese Lamellen 452 können derart konfiguriert sein, dass sie mit einem zweiten Fluid (z. B. Heißgas) thermisch gekoppelt sind, das über die Lamellen 452 strömt. In bestimmten Konfigurationen erstreckt sich ein Wärmepfad vom zweiten Fluid über die Lamellen 452, durch das Gehäuse 420, die mehrere Nebenschlüsse 440, die mehreren thermoelektrischen Elemente 430 und die Fluidleitung 410 zum durch die Fluidleitung 410 strömenden ersten Fluid.
Die thermoelektrische Einheit 400 kann ferner mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (nicht dargestellt) zwischen der Fluidleitung 410 und den mehreren Nebenschlüssen 440 aufweisen, die Kurzschlüsse zwischen den mehreren Nebenschlüssen 440 verhindern können. Beispielsweise kann die Fluidleitung 410 mit einer dielektrischen Schicht beschichtet sein. Die thermoelektrische Einheit 400 kann ferner mindestens eine elektrisch isolierende Schicht (nicht dargestellt) zwischen dem Gehäuse 420 und den mehreren Nebenschlüssen 440 aufweisen, die Kurzschlüsse zwischen den mehreren Nebenschlüssen 440 verhindern können. Beispielsweise kann das Gehäuse 420 mit einer dielektrischen Schicht beschichtet sein. Diese elektrisch isolierenden Schichten können die mehreren Nebenschlüsse 440 von der Fluidleitung 410 und dem Gehäuse 440 elektrisch isolieren, während der erste Satz von Nebenschlüssen 442 mit der Fluidleitung 410 thermisch gekoppelt ist und der zweite Satz von Nebenschlüssen 444 mit dem Gehäuse 420 thermisch gekoppelt ist. Die thermoelektrische Einheit 400 kann ferner mindestens eine elastische leitfähige Grenzfläche zwischen den mehreren thermoelektrischen Elementen 430 und den mehreren Nebenschlüssen 440 aufweisen (z. B. ein wärmeleitendes Schmiermittel), um einen guten thermischen Kontakt und einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten.
Die mehreren Nebenschlüsse 440 (z. B. Kupferplatten) können zwischen der Fluidleitung 410 und den mehreren thermoelektrischen Elementen 430 und zwischen dem Gehäuse 420 und den mehreren thermoelektrischen Elementen 430 angeordnet sein. Die mehreren thermoelektrischen Elemente können n-dotierte thermoelektrische Elemente 432 und p-dotierte thermoelektrische Elemente 434 aufweisen. Die mehreren Nebenschlüsse 440 und die mehreren thermoelektrischen Elementen 430 können derart konfiguriert sein, dass die n-dotierten thermoelektrischen Elemente 432 mit den p-dotierten thermoelektrischen Elementen 434 elektrisch in Reihe geschaltet sind, ein Beispiel hierfür ist in 20 dargestellt. Beispielsweise kann jeder Nebenschluss 440 mindestens ein n-dotiertes thermoelektrisches Element 432 und mindestens ein p-dotiertes thermoelektrisches Element 434 an gegenüberliegenden Enden des Nebenschlusses 440 aufweisen. Dieses ”Stonehenge”-Konfiguration ermöglicht den Aufbau einer höheren Spannung durch die thermoelektrische Einheit 400, weil die thermoelektrischen Elemente 430 in Reihe geschaltet sind. Indem die thermoelektrischen Elemente 430 auf der kalten Seite der thermoelektrischen Einheit 400 montiert sind, können die Auswirkungen der Wärmeausdehnung minimiert werden.
In bestimmten derartigen Konfigurationen kann sich ein elektrischer Stromflusspfad durch einen ersten Nebenschluss des ersten Satzes von Nebenschlüssen 442, mindestens ein n-dotiertes thermoelektrisches Element 432, einen ersten Nebenschluss des zweiten Satzes von Nebenschlüssen, mindestens ein p-dotiertes thermoelektrisches Element 434 und einen zweiten Nebenschluss des ersten Satzes von Nebenschlüssen 442 erstrecken. In einigen Konfigurationen (z. B. in der in 20 dargestellten ”Stonehenge”-Konfiguration) können die mehreren Nebenschlüsse 440 und die mehreren thermoelektrischen Elemente 430 derart konfiguriert sein, dass ein elektrischer Strom die mehreren Nebenschlüsse 440 und die mehreren thermoelektrischen Elemente 430 auf einer serpentinenförmigen Bahn durchfließt. In einigen Konfigurationen können die mehreren Nebenschlüsse 440 und die mehreren thermoelektrischen Elemente 430 einen oder mehrere Stapel zwischen der ersten Oberfläche 412 und der zweiten Oberfläche bilden, wobei der elektrische Strompfad sich allgemein axial zu dem einen oder den mehreren Stapeln erstreckt.
Das Gehäuse 420 kann eine oder mehrere Falten 424 aufweisen, die derart konfiguriert sind, dass sie in Antwort auf eine Bewegung zwischen den Abschnitten der thermoelektrischen Einheit 400 (beispielsweise eine durch Wärmeausdehnung oder Kontraktion in der thermoelektrischen Einheit 400 oder eine durch mechanische Erschütterungen in der thermoelektrischen Einheit 400 verursachte Bewegung) elastisch reagieren (z. B. flexibel und dafür konfiguriert sind, sich elastisch zu verformen). Beispielsweise können sich diese Falten 424, wie in den 20 und 22 dargestellt ist, entlang oder im Wesentlichen entlang der Breite des Gehäuses 420 erstrecken. In Konfigurationen, bei denen der zweite Satz von Nebenschlüssen in mehreren Reihen angeordnet sind, können die eine oder mehreren Falten 424 zwischen benachbarten Reihen der mehreren Reihen angeordnet sein. In Konfigurationen, in denen die mehreren Wärmetauscher 450 in mehreren Reihen angeordnet sind, können die eine oder mehreren Falten 424 zwischen benachbarten Reihen der mehreren Reihen angeordnet sein. Die Falten 424 können derart angeordnet sein, dass eine Bewegung von Abschnitten des Gehäuses 420 ermöglicht wird, wodurch Belastungen auf die thermoelektrischen Elemente 430 minimiert werden, die aufgrund fehlangepasster Wärmeausdehnungen zwischen dem Gehäuse 420 und der Fluidleitung 410 verursacht werden (weil beispielsweise die Dehnung des Gehäuses 420 größer ist als diejenige der Fluidleitung 410).
Die mehreren thermoelektrischen Elemente 430 können innerhalb des Gehäuses 420 eingeschlossen sein (z. B. hermetisch dicht). Beispielsweise kann das Gehäuse 420 einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen, die miteinander verbunden oder versiegelt sind, und innerhalb des Gehäuses 420 kann ein Gas eingeschlossen sein (z. B. hermetisch dicht). In Konfigurationen, bei denen das Gehäuse 420 die gesamte thermoelektrische Einheit 400 abdeckt, kann das Gehäuse 420 derart konfiguriert sein, dass Wärmeverluste zwischen der warmen und der kalten Seite der thermoelektrischen Einheit 400 minimiert werden (indem es beispielsweise nur am Einlass 414 der Fluidleitung 410 und am Auslass 416 der Fluidleitung 410 mit der Fluidleitung 410 in Kontakt steht).
Die 23A, 23B und 24 zeigen schematisch beispielhafte thermoelektrische Systeme 500 mit jeweils mehreren thermoelektrischen Einheiten 400. Das thermoelektrische System 500 kann eine erste thermoelektrische Einheit 400a und eine zweite thermoelektrische Einheit 400b aufweisen. Beispielsweise zeigen die 23A und 23B zwei Konfigurationen mit vier thermoelektrischen Einheiten 400a, 400b, 400c, 400d, in denen ein Hochtemperaturgas durch oder über die (z. B. rechteckigen) Lamellen 452 der mehrere Wärmetauscher 450 strömt und ein Niedertemperaturfluid durch die Fluidleitungen 410 (beispielsweise mittige Rohre) strömt. Die Lamellen 452 und die Fluidleitungen 410 können in Abhängigkeit von der Anwendung verschiedene Formen haben und aus verschiedenen Materialien hergestellt sein. Die thermoelektrischen Einheiten 400 können derart konfiguriert sein, dass sie aufeinander oder nebeneinander gestapelt werden können.
Das thermoelektrische System 500 kann ferner einen Rahmen 510 aufweisen, der die erste thermoelektrische Einheit 400a und die zweite thermoelektrische Einheit 400b hält. Die Fluidleitung 410a der ersten thermoelektrischen Einheit 400a kann sich parallel oder im Wesentlichen parallel zur Fluidleitung 410b der zweiten thermoelektrischen Einheit 400b erstrecken. Die mehreren Wärmetauscher 450a der ersten thermoelektrischen Einheit 400a und die mehreren Wärmetauscher 450b der zweiten thermoelektrischen Einheit 400b können derart konfiguriert sein, dass sie bei einer Wärmeausdehnung der ersten thermoelektrischen Einheit 400a und/oder der zweiten thermoelektrischen Einheit 400b eine Druckkraft (durch Pfeile dargestellt) aufeinander ausüben.
Wie in 24 dargestellt ist, kann sich diese Druckkraft in eine Richtung erstrecken, die sich allgemein senkrecht zu den Fluidleitungen 410a, 410b erstreckt. Die Druckkraft kann die Wärmeübertragung zwischen der Fluidleitung 410 und den mehreren Wärmetauschern 450 der ersten thermoelektrischen Einheit 400a und/oder der zweiten thermoelektrischen Einheit 400b erhöhen. Wenn die thermoelektrischen Einheiten 410 nebeneinander angeordnet sind, können die Lamellen 452 der ersten thermoelektrischen Einheit 400a sich ausdehnen, wenn die erste thermoelektrische Einheit 410 sich erwärmt, und mit den Lamellen 452 der benachbarten zweiten thermoelektrischen Einheit 410b in Kontakt kommen, was zu einer auf die thermoelektrischen Elemente 430 in der thermoelektrischen Einheit 400 ausgeübten Druckkraft führt, wodurch die Wärmeübertragung zwischen der warmen und der kalten Seite der thermoelektrischen Einheiten 400 verbessert wird.
TEG-Architektur und Temperaturkompensation
Die thermoelektrischen Elemente können in verschiedenen Kartuschenkonfigurationen angeordnet sein, um geeignete Eigenschaften zu erzielen. In solchen Konstruktionen können die folgenden Überlegungen für eine effektive Funktion wichtig sein: (a) über alle Betriebstemperaturen kann eine relativ gleichmäßige Kraft (Druck) auf die thermoelektrischen Elemente aufrechterhalten werden, (b) über den Betriebstemperaturbereich können Scher- und Zugspannungen minimiert und vorteilhaft eliminiert werden, (c) parasitäre Verluste durch elektrische und thermische Verbindungen sowohl am warmen als auch am kalten Ende der Thermoelemente können ausreichend niedrig sein, so dass die Systemausgangsleistung nicht negativ beeinflusst wird, (d) die thermoelektrische Einheit oder das thermoelektrische System kann für eine vorgesehene Anwendung kosteneffizient sein, und (e) entweder die thermoelektrischen Elemente oder das thermoelektrische System können dazu geeignet sein, gegen atmosphärische Bestandteile, interne Fluids, die für das System schädlich sind (beispielsweise können Fluids für eine Temperaturregelung oder für andere Zwecke verwendet werden), abgedichtet zu werden. Im Betrieb werden die warme und die kalte Seite großen Temperaturunterschieden ausgesetzt. Infolgedessen können die thermoelektrischen Elemente einen großen Temperaturgradienten in Richtung des Stromflusses aufweisen. In herkömmlichen Konfigurationen führt dies zu großen thermisch induzierten Scherspannungen und ungleichmäßigen Druckkräften auf TE-Elemente. Normalerweise ändern sich die Kräfte mit der Temperaturdifferenz zwischen der warmen und der kalten Seite. Nachstehend werden drei Grundkonfigurationen und verschiedene Varianten beschrieben, die die unerwünschten Belastungen verringern oder beseitigen und einen relativ gleichmäßigen Druck auf die thermoelektrischen Elemente aufrechterhalten.
Die 25A und 25B zeigen schematisch Anpassungsbeispiele der Stonehenge-Konfiguration, die thermische Belastungen vermindern, die durch während des Betriebs auftretende Temperaturgradienten entstehen. 25A zeigt radial verbundene thermoelektrische Elemente in einer Stonehenge-Konfiguration mit zwei parallel angeordneten thermoelektrischen Elementen und acht in Reihe angeordneten Sätzen. In dieser beispielhaften Konfiguration sind die thermoelektrischen Elemente in n- und p-dotierten Paaren radial um den zentralen Kern (z. B. die kalte Seite) in einer Reihenschaltung verbunden, und jedes der n- und p-dotierten Paare ist axial mit einem benachbarten n- und p-dotierten Paar parallel verbunden. 25B zeigt axial verbundene thermoelektrische Elemente in einer Stonehenge-Konfiguration mit zwei Paaren thermoelektrischer Elemente, die axial in Reihe geschaltet sind. Die warmseitigen elastischen Lamellen nehmen eine axiale Wärmeausdehnung auf, um auf die thermoelektrischen Elemente ausgeübte Scherspannungen zu vermindern. Wie in 25B dargestellt ist, können die n- und p-dotierten Paare radial in parallelen Paaren und axial in Reihe verbunden sein. Es können auch mehrere (z. B. 2 bis 50) der thermoelektrischen Elemente in der axialen Richtung in Reihe und radial in Paaren oder in anderen Gruppen angeordnet sein.
Das Kartuschensystem kann vorteilhaft aus Abschnitten von Strukturen, wie beispielsweise der in 25A dargestellten Struktur, konstruiert sein. Eine Relativbewegung der warmen Seite bezüglich der kalten Seite kann derart erfolgen, dass die Positionen der thermoelektrischen kalten und warmen Enden mit der durch Wärmeausdehnung verursachten Längenänderung der thermoelektrischen Elemente übereinstimmen, wenn die warm- und die kaltseitige Temperatur sich während des Betriebs ändern. Dies kann vorteilhaft durch Anpassen der Änderung der warmseitigen äußeren Ringgröße an diejenige des thermoelektrischen Elements und der warm- und kaltseitigen Nebenschlüsse erreicht werden. Wenn daher das thermoelektrische System einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) von etwa 20 × 10^–6 mm/mm hat, kann der warmseitige Ring für die in den 25A und 25B dargestellten relativen Größen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von etwa ¼ dieses Wertes oder etwa 5 × 10^–6 haben. Beispielsweise kann das warmseitige Rohr aus einem Material mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE), wie Molybdän, Kupfer/Graphit-Verbundmaterial, einem geeigneten Keramikmaterial oder dergleichen hergestellt sein. Außerdem können die warme und/oder die kalte Seite Dehnungsmerkmale, beispielsweise Falten, aufweisen, wie in 27B dargestellt ist, um eine Bewegung zum Kompensieren einer relativen Größenänderung zwischen der warmen Seite und den thermoelektrischen Elementen aufzunehmen. Außerdem kann der warmseitige Nebenschluss verdickt und aus einem geeigneten Material konstruiert sein, das einen sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) hat (wie beispielsweise Materialsysteme, die verwendet werden, um die Seite mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizient von Bimetallen herzustellen), um einen zusätzlichen Grad an Temperaturkompensation bereitzustellen. Die axiale Abmessungsänderung kann kompensiert werden, indem der Wärmeausdehnungskoeffizient des axialen Nebenschlusses derart ausgewählt wird, dass Scherspannungen vermindert oder eliminiert werden, die durch die relativen Abmessungsänderungen zwischen der thermoelektrischen Element/Nebenschluss-Untereinheit und dem warmseitigen Ring verursacht werden. Zwischen Ringen kann die Kompensation durch Biegen der Verbindung zwischen benachbarten Ringen erzielt werden, wie in 27B dargestellt ist. Die radiale Dichte, der Formfaktor und die Abmessungen der thermoelektrischen Elemente und Gehäuseteile können derart gewählt werden, dass gewünschte Eigenschaften erhalten werden (wie nachstehend beschrieben wird).
25A zeigt modulare Konstruktionen, bei denen die thermoelektrischen Elemente in der radialen Richtung elektrisch in Reihe geschaltet sind. Es können unterschiedlich viele thermoelektrische Elementen um den kalten mittigen Kern herum angeordnet werden, wobei ihre Konfiguration sich von einer dichten Packung thermoelektrischer Elementen bis hin zu radspeichenförmig beabstandeten thermoelektrischen Elementen erstreckt. Die radiale Dichte, der Formfaktor und die Abmessungen der thermoelektrischen Elemente und Gehäuseteile können so gewählt werden, dass gewünschte Eigenschaften erhalten werden.
Die 26A und 26B zeigen beispielhafte modulare Konstruktionen, bei denen die thermoelektrischen Elemente derart angeordnet sind, dass die Wärmeübertragung und der Stromfluss durch die Elemente allgemein in einer Umfangsrichtung erfolgen. Außerdem sind, obwohl nicht dargestellt, Konfigurationen möglich, bei denen der Stromfluss unter einem Winkel zur Umfangsrichtung oder in der axialen Richtung erfolgt. Hierin werden Konfigurationen beschrieben, bei denen der Stromfluss im Wesentlichen senkrecht sowohl zur Radial- als auch zur Axialrichtung erfolgt. Die radiale Dichte, der Formfaktor und die Abmessungen der thermoelektrischen Elemente und Gehäuseteile können derart gewählt werden, dass gewünschte Eigenschaften erhalten werden. Beispielsweise können Komponenten, die als ”warmseitig” und ”kaltseitig” bezeichnet sind, auch umgekehrt angeordnet sein, so dass ein warmes Fluid in der Mitte strömt und ein kaltes Fluid die Außenseite kühlt. In einem anderen Beispiel kann der warmseitige Nebenschluss zusammendrückbar sein, um Unterschiede der Wärmeausdehnung zwischen warmen und kalten Seiten teilweise oder vollständig zu kompensieren. Ein weiterer warmseitiger Nebenschluss kann von den elastische Lamellen elektrisch isoliert sein, oder die Lamellen können ein elektrisch isolierendes Material aufweisen. In einem weiteren Beispiel kann der kaltseitige Nebenschluss durch die Verwendung eines Zwischenraums oder eines Einsatzes oder einer anderen Struktur von den thermoelektrischen Elementen elektrisch isoliert sein, oder ein kaltseitiger Wärmetauscher kann elektrisch isolierend sein oder eine Isolierung zwischen dem Wärmetauscher und den kaltseitigen Nebenschlüssen aufweisen. Der kaltseitige Nebenschluss kann aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein.
Vorteilhaft können für die Systeme mit den in den 25A, 25B, 26A und 26B dargestellten Konfigurationen (a) der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) der thermoelektrischen Elemente, Nebenschlüsse und Ringe derart ausgewählt werden, dass die relative Abmessungsänderungen zwischen der warmen und der kalten Seite der thermoelektrischen Elemente und ihren jeweiligen Befestigungsgrenzflächen vermindert werden, (b) die Materialien, elastischen Einrichtungen und Formen derart ausgewählt werden, dass Scherspannungen über den Betriebstemperaturbereich minimiert werden, (c) die thermische Impedanz, die eine Funktion der Anzahl thermoelektrischer Elemente, ihres Formfaktors (z. B. Energiedichte) pro Längeneinheit, der Materialeigenschaften und der Wärmeübertragungseigenschaften der warmseitigen Wärmequelle und der kaltseitigen Wärmesenke ist, angepasst werden, um eine effektive Leistung des gesamten Systems zu erzielen, und (d) unerwünschte Scher- und Zugspannungen durch Wärmeausdehnungsstrukturen (beispielsweise durch die nachstehend beschriebenen Mechanismen) auf der warmseitigen Wärmequelle und der kaltseitigen Wärmesenke minimiert werden.
Konfigurationen des warmseitigen Wärmetauschers und der Nebenschlüsse
27A zeigt einen Abschnitt beispielhafter warmseitiger Wärmetauscherlamellen (dunkel schraffierter Abschnitt), die eine Wulstschweißnaht in der Nähe des größten Durchmessers des Lamellenstruktur aufweisen. Beispielhafte Zwecke der Schweißnaht sind ein struktureller Halt, das Ausrichten von Abschnitten und das Bereitstellen einer Dichtung zwischen den thermoelektrischen Elementen und der Außenumgebung. Die in 27A dargestellte Lamellenstruktur kann vorteilhaft biegsam sein, um aufgrund von Temperaturdifferenzen zwischen der warmen und der kalten Seite des Generatorsystems während des Betriebs verursachte Abmessungsänderungen innerhalb des Systems zu kompensieren, einen Pfad mit niedrigen thermischen Widerstand zum Sammeln von Wärmeenergie vom warmseitigen Arbeitsfluid bereitzustellen und einen strukturellen Halt bereitzustellen, und ist eine Befestigungsfläche mit niedrigem thermischem Widerstand zu weiteren Lamellen oder anderen Wärmeaustauschelementen (siehe z. B. rechte Seite von 27A).
Die rechte Seite von 27A zeigt eine Form der Biegebewegung, die kompensiert wird und eine Relativbewegung zwischen der warmen und der kalten Seite ermöglicht. Der schraffierte Teil an der linken Seite von 27A ist mit einem großen und einem kleinen Zwischenraum dargestellt, um die Biegung darzustellen. In den hierin beschriebenen Konfigurationen können andere Biegestrukturen verwendet werden. Als ein Beispiel weist die in 27B dargestellte Biegestruktur (beispielsweise in die Rohrsegmente integrierte Kompensatoren) ein Außengehäuse auf, das ein Rohr mit darin an gewünschten Positionen, wie z. B. zwischen warmseitigen Nebenschlüssen, angeordneten Biegungen ist, so dass jeder warmseitiger Nebenschluss sich bezüglich anderen inneren Elementen unabhängig bewegen kann. Die Dichtungsstelle ist in der Nähe des äußersten Randes der Lamelle dargestellt, könnte sich aber auch an einer beliebigen anderen geeigneten Stelle befinden. Die Dichtungsfläche könnte ebenfalls eine beliebige andere geeignete Form oder Konstruktion haben, wie beispielsweise als Balg, eine Membran oder in einer anderen Form ausgebildet sein. Die zusammengehörigen Teile müssen nicht die gleiche Form haben, beispielsweise können die beiden Flächen so geformt sein, dass eine gewalzte Dichtung, wie bei Getränkedosen, durch Buckelschweißen gebildete Strukturen oder ein beliebiges anderes Dichtungssystem erhalten wird.
Ein Konfigurationsbeispiel für warmseitige innere Wärmeaustauschelemente ist in 28B dargestellt und kann verwendet werden, um die in 27B dargestellte Wärmetauscherstruktur herzustellen. Ein Flachmaterial, wie beispielsweise ein Kupfermaterial, das mit Nickel, rostfreiem Stahl oder einer anderen geeigneten Schutzschicht überzogen sein kann, kann als ein Band ausgebildet werden. Es können Schlitze ausgebildet werden, das Material kann gefaltet und dann um das äußere Rohr gewickelt werden. Die Schlitze können Lamellen, Perforationen oder andere Merkmale zum Verbessern der Wärmeübertragung aufweisen. Das ausgebildete Band kann durch einen beliebigen Prozess, der einen guten thermischen Kontakt zwischen der Lamellenstruktur und den warmseitigen thermoelektrischen Elementen bereitstellt, an der warmseitigen Außenfläche angelötet, angeschweißt oder anderweitig befestigt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass das, was hierin als ein ”warmseitiger” Nebenschluss, Wärmetauscher oder andere Komponente beschrieben ist, in dem Sinne umgekehrt werden kann, das sich die Position der warmen Seite im Inneren befinden kann und der entsprechende ”kaltseitige” Nebenschluss, die Wärmetauscherlamellen und dergleichen sich an der Außenfläche befinden können. Daher könnten die Positionen der warmen und der kalten Seite umgeschaltet werden. Dies kann mehrere Auswirkungen haben, beispielsweise auf die Art der Abdichtung, die beispielsweise in den 27A und 27B für das Wärmetauscherausdehnungsmerkmal verwendet werden könnte. Die Dichtungen können z. B. aus einem undurchlässigen Polymer, einem Niedertemperaturglas oder einer anderen für niedrige Temperaturen geeigneten Versiegelungsmasse, durch ein anderes Dichtungsverfahren oder aus einer Kombination von Dichtungsmechanismen hergestellt sein. Die Lamellen können aus einem Kunststoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Aluminium, einem geeigneten Verbundwerkstoffsystem oder einer anderen geeigneten Dichtungsstruktur bestehen. Außerdem wird darauf hingewiesen, dass, wenn die thermoelektrischen Elemente keine Dichtung benötigen, wenn sie beispielsweise einzeln mit einer konformen Beschichtung gedichtet sind, eine Biegekonfiguration, gemäß der auch eine Dichtung bereitgestellt wird, modifiziert oder eliminiert werden kann. Diese Konfigurationsbetrachtung kann auch Teil der hierin beschriebenen Konfigurationen sein. Obwohl hierin mehrere warmseitige Konfigurationen beschrieben sind, stellen die beschriebenen Konfigurationen nicht alle möglichen Konfigurationen dar, weitere sind in anderen Abschnitten des Textes und in den Zeichnungen dargestellt, die Teil der vorliegenden Erfindung, aber in diesem Abschnitt nicht beschrieben sind.
Hochtemperaturbetriebssicherheit
28A zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Schützen des Generatorsystems vor übermäßigen warmseitigen Fluidtemperaturen. In dieser Konfiguration können die warmseitigen Wärmeaustauschelemente aus einem thermisch aktiven Material wie beispielsweise aus einem geeigneten Bimetall, einer Phasenwechsel-Speicherlegierung oder einem beliebigen anderen geeigneten thermisch aktiven Material oder Materialsystem ausgebildet sein. Bei Nennbetriebstemperatur sammeln die Wärmeaustauschelemente auf eine vorteilhafte Weise warmseitige Wärmeenergie. Wenn die warmseitige Fluidtemperatur ansteigt, verformt sich das Materialsystem, so dass die Wärmeübertragung abnimmt, wodurch eine Temperaturerhöhung der inneren Komponenten, z. B. der warmseitigen thermoelektrischen Elemente, verlangsamt oder gestoppt wird. Die rechte Seite in 28B zeigt ein Beispiel der Form, die die warmseitige Wärmetauscherstruktur bei höheren Temperaturen annehmen könnte. Die Lamellen können sich an ihren äußersten Flächen einander annähern, wodurch die dem warmseitigen Fluid ausgesetzte Oberfläche des Wärmetauschers abnimmt und die Fähigkeit des Systems, Wärmeenergie von der warmseitigen Fluidströmung zu sammeln, effektiv vermindert wird.
Nachstehend werden andere Verfahren zum Schützen des Systems vor übermäßigen warmseitigen Temperaturen unter Bezug auf die 29A–29C beschrieben. Ein Teil der hier beschriebenen spezifischen Konfigurationen nutzt eine Eigenschaft des Wärmetransports der thermoelektrischen Elemente, um das System zu schützen. 29A zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie) für eine thermoelektrische Vorrichtung und auf dem gleichen Diagramm den Strom als Funktion des warmseitigen Wärmestroms (Q_H-I-Kennlinie). Der Nennbetriebszustand ist als Punkt A auf der I-V-Kennlinie und A' auf der Q_H-I-Kennlinie dargestellt. Am Punkt A ist die Ausgangsleistung des Systems hoch, oft in der Nähe einer optimalen Leistung. Punkt B zeigt den Zustand, wo die Spannung nahe Null ist, was einem Betrieb der Vorrichtung ohne externe Netzspannung, also in einem kurzgeschlossenen Zustand, entspricht. Der entsprechende Wärmestrom Q_H durch die thermoelektrischen Elemente bei B' ist etwa 10% bis 50% größer. Durch eine externe Maßnahme wird die Einheit kurzgeschlossen und nimmt die scheinbare Wärmeleitfähigkeit des thermoelektrischen Elements zu. Dadurch wird wiederum die warmseitige Temperatur des thermoelektrischen Elements gesenkt, was dazu beiträgt, dieses vor höheren Außentemperaturen zu schützen. Dieser Effekt kann durch Anlegen einer elektrischen Spannung an die Vorrichtung (Anlegen einer Rückwärtsspannung) weiter verstärkt werden. Insgesamt kann Q_H durch diese Mechanismen um mindestens 15% erhöht werden, wodurch ein Verfahren zum Vermindern der Wirkung höherer externer warmseitiger Fluidtemperaturen auf das System erhalten wird. Ein Kurzschluss kann innerhalb des Systems induziert werden, indem eine thermisch ansprechender Sicherheitsschalter, beispielsweise ein Bimetall-Schnappscheibenschalter, ein Halbleiterschalter mit positivem Temperaturkoeffizienten oder ein anderer geeigneter Mechanismus integriert wird.
Ein alternatives Verfahren für einen Übertemperaturschutz ist in 29B dargestellt, die einen temperaturaktiven warmseitigen thermischen Leiter zeigt. Ein Abschnitt des warmseitigen Nebenschlusses kann thermisch aktiv sein, so dass die Wärmeübertragung vom warmseitigen Wärmetauschers verringert wird, wenn der Nebenschluss übermäßig hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Ein weiteres Verfahren ist in 29C dargestellt, die einen warmseitigen Nebenschluss mit einer thermisch aktiven Scheibe zeigt, wobei ein Materialsystem so positioniert ist, dass eine Wärmeübertragung zwischen dem warmseitigen Wärmetauscher und der warmen Seite des TE-Elements bewirkt wird. Vorteilhaft kann das Material eine Material mit reversiblem Phasenwechsel mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bei Nennbetriebstemperaturen sein, die aber bei höheren Temperaturen abnimmt.
Konfigurationen des kaltseitigen Nebenschlusses und des Wärmetauschers
30A zeigt einen kaltseitigen Wärmetauscher, bei dem die Leitung ein Rohr mit einem Einlass an einem Ende, einem Auslass am anderen Ende und internen Funktionen zum Verbessern des Wärmeaustauschs ist. Beispielsweise könnte das Rohr eine Aluminiumextrusionskörper oder ein Kunststoffspritzguss- oder -extrusionskörper mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sein. Im dargestellten Konfigurationsbeispiel tritt das kaltseitige Fluid an einem Ende ein und am gegenüberliegenden Ende aus. Der kaltseitige Wärmetauscher ist vorteilhaft aus eloxiertem Aluminium oder aus andersartig hergestelltem Aluminium gefertigt, so dass er eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt und mit den kaltseitigen Nebenschlüssen elektrisch isolierend verbunden ist. Beispielsweise könnten die kaltseitigen Nebenschlüsse durch ein hochgradig wärmeleitfähiges Epoxidharz dauerhaft mit dem eloxierten Aluminiumrohr verklebt sein. Alternativ könnte eine gute thermische Verbindung durch ein Schmiermittel mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden. Alternativ kann der Nebenschluss durch Weich- oder Hartlöten am Rohr befestigt werden, um einen guten thermischen Kontakt mit galvanischer Isolierung zu erhalten, was durch einen elektrisch isolierten Einsatz im kaltseitigen Nebenschluss erzielt wird, wie an einer anderen Stelle unter Bezug auf eine elektrische Isolierung eines warmseitigen Nebenschlusses beschrieben ist. Diese Verfahren oder jegliche anderen Verfahren, die einen guten thermischen Kontakt und eine gute elektrische Isolierung bereitstellen, können Teil der hierin beschriebenen Konfigurationen sein.
30B zeigt ein Rohr, das derart konfiguriert ist, dass die kaltseitigen Fluideinlässe und -auslässe sich vom gleichen Ende erstrecken. 30B zeigt auch ein kaltseitiges Wärmetauschersystem mit einem mittigen Rohr für eine einzelne Quelle (dargestellt) oder umgekehrt mit mehreren Quellen und einer einzelnen mittigen Sammeleinrichtung (nicht dargestellt) zum Verteilen des kaltseitigen Arbeitsfluids. In dieser Konfiguration können Bälge sowie andere Rohrkonstruktionen verwendet werden, um eine Biegung zu ermöglichen, um eine thermische Bewegung der kaltseitigen Elemente bezüglich warmseitigen Elementen während des Aufwärmens und Abkühlens zu kompensieren.
30C zeigt ein allgemein U-förmiges kaltseitiges Wärmetauschersystem, in dem der Einlass und Auslass am gleichen Ende aber nicht allgemein koaxial angeordnet sind. Zusätzlich zu den beiden dargestellten Rohren kann die Herstellung mit einer beliebigen anderen Anzahl von Rohren Teil der hierin beschriebenen Konfigurationen sein. In jeder der Konfigurationen können die kaltseitigen Nebenschluss-Wärmetauscher-Systeme interne Wärmeübertragungsverstärkungsmerkmale aufweisen und Konstruktionsmaterialien und -techniken verwenden, wie sie unter Bezug auf 30A beschrieben sind.
Die in den 25–30 dargestellten thermoelektrischen Systeme, Einheiten und Komponenten sind mit runden Querschnitten dargestellt. Andere Querschnittsformen, wie beispielsweise ovale, ellipsenförmige, rechteckige, sowie andere zweckdienliche Formen können ebenfalls Teil der hierin beschriebenen Konfigurationen sein. Warmseitige thermoelektrische Elemente und kaltseitige Komponenten können aneinander angepasst werden, um alternative Formen zu erhalten. Außerdem zeigen alle in den 25–30 dargestellten Konfigurationen einen externen Wärmestrom, der sich senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Haupt-Symmetrieachse erstreckt. Die externen Wärmetauscherlamellen oder andere Wärmeenergie sammelnde Komponenten können so angeordnet werden, dass die externe Arbeitsfluidströmung sich allgemein axial erstreckt (z. B. in die allgemeine Richtung der internen Fluidströmung). Außerdem können die Komponenten in Abhängigkeit vom Formfaktor der Anwendung und der gewünschten Ausgangsleistung so angeordnet sein, dass das System relativ kurz oder lang ist.
31 zeigt eine beispielhafte Anwendung eines vorstehend beschriebenen TEG. Ein Abgas eines Verbrennungsmotors (z. B. eines Fahrzeugmotors) kann in Fluidverbindung mit einem warmseitigen Eingang des TEG stehen. Der warmseitige Eingang kann in Fluidverbindung mit einer oder mehreren thermoelektrischen Einheiten oder Kartuschen stehen. Beispielsweise kann der TEG zwei oder mehr TE-Kartuschen aufweisen. In 31 sind zwanzig TE-Kartuschen dargestellt. Die Abgasleitung des Motors kann eine Umgehung aufweisen, so dass mindestens ein Teil des Abgases um den TEG herum geleitet werden kann. Beispielsweise kann die Umgehung ein Ventilsystem aufweisen (z. B. mit mindestens einem Proportionalventil, das dafür konfiguriert ist, eine variable Strömungszuteilung zwischen der Umgehung und dem TEG zu ermöglichen), so dass die Fluidströmung so ausgewählt und/oder variiert werden kann, dass sie durch den TEG oder über die Umgehung geleitet wird. Beispielsweise kann das Ventilsystem ein oder mehrere Ventile aufweisen, die dafür konfiguriert sind, einen Teil der Fluidströmung über die Umgehung und einen Teil der Fluidströmung durch den TEG zu leiten. Die kaltseitigen Eingänge der thermoelektrischen Kartuschen können in Fluidverbindung mit einem kaltseitigen Eingang des TEG stehen. Beispielsweise kann der kaltseitige Eingang des TEG in Fluidverbindung mit dem Kühlkreislauf eines Fahrzeugs stehen.
Die 32A bis 38B zeigen schematisch Ausführungsformen eines thermoelektrischen Systems 600, die ganz oder teilweise Merkmale und Aspekte jeder der hierin beschriebenen Ausführungsformen, Eigenschaften, Strukturen und Betriebsmodi enthalten oder aufweisen können.
Bestimmte hierin beschriebene beispielhafte thermoelektrische Systeme 600 ermöglichen eine Integration einer katalytischen Funktion (z. B. Vermindern von Emissionen, Feinstaub usw.) mit einer oder mehreren der vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Einheiten. In bestimmten Ausführungsformen wird ein Washcoat und/oder eine katalytische Verbindung auf die Wärmetauscherlamellen eines thermoelektrischen Generators aufgebracht. Ein thermoelektrisches System mit einem derartigen thermoelektrischen Generator ist als ein Katalysator in mit einem Verbrennungsmotor ausgestatteten Geräten betreibbar (z. B. in Fahrzeugen, Motorrädern, Flugzeugen, Lokomotiven, landwirtschaftlichen und/oder Baumaschinen usw.). In einigen Ausführungsformen kann die durch eine Oxidationsreaktion erzeugte Wärmeenergie als zusätzliche Wärmequelle für eine Stromerzeugung durch ein derartiges thermoelektrisches System genutzt werden (z. B. während eines Betriebs bei eingeschaltetem Motor, usw.). In einigen Ausführungsformen kann ein thermoelektrischer Generator während des Motorkaltstarts als ein Peltier-Modul betrieben werden, um das Aufwärmen der Wärmetauscherlamellen zu beschleunigen und die katalytische Leistung zu verbessern und/oder die Zeitdauer bis zur ”Anspring”(”Light-Off”)temperatur zu verkürzen (z. B. die Zeitdauer, bis die Temperatur des Wärmeaustauschers auf eine Betriebstemperatur ansteigt, z. B. auf die Betriebstemperatur eines Katalysators zum Vermindern von Emissionen). In einigen Ausführungsformen kann ein thermoelektrischer Generator während Motorbetriebspunkten mit übermäßig hohen Temperaturen als ein Peltier-Modul betrieben werden, um den Wärmestrom oder -fluss in den Kühlmittelkreislauf zu vermindern und die thermoelektrischen Elemente und/oder das thermoelektrische Material zu schützen. In einigen Ausführungsformen kann die der thermoelektrischen Einheit zugeführte elektrische Energie (Spannung, Strom, usw.) ausreichend sein, um den Wärmetauscher auf eine Temperatur zu kühlen, die ausreicht, um eine Beschädigung der thermoelektrischen Elemente zu vermeiden. In einigen Ausführungsformen ist ein Umgehungsventil, eine Umgehungsschaltung, eine Umgehungsleitung oder ein Umgehungsströmungspfad möglicherweise entbehrlich, so dass ein thermoelektrisches System eine solche Umgehung nicht benötigt und/oder nicht aufweist.
Die katalytische Verbrennung von unverbranntem Kohlenwasserstoff, CO und/oder Rußpartikeln in einem Abgassystem erzeugt eine exotherme Reaktion, die zu einem Temperaturanstieg führt, wie in einem Artikel von Chiew et al. mit dem Titel, ”Diesel-Vaporizer: an innovative technology for reducing complexity and costs associated with DPF regeneration”, SAE 2005-01-0671, beschrieben ist.
Die 32A bis 32C zeigen schematisch verschiedene Ansichten eines beispielhaften thermoelektrischen Systems 600 gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen. 32D zeigt schematisch ein derartiges beispielhaftes thermoelektrisches System 600 mit beispielhaften Abmessungen. In bestimmten Ausführungsformen kann das thermoelektrische System 600 vollständig oder teilweise andere Merkmale und Aspekte aufweisen als die vorstehend erwähnten Ausführungsformen (z. B. in den in den 1–31 dargestellten Ausführungsformen), sowie andere hierin beschriebene Merkmale. Beispielsweise kann das thermoelektrische System 600 eine oder mehrere thermoelektrische Einheiten 600 mit einer elektrischen Leitung 636 (z. B. mit einem Kontaktstift und dergleichen) zum Übertragen elektrischer Energie vom oder zum thermoelektrischen System aufweisen. Das thermoelektrische System 600 weist mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung 602 auf, die derart konfiguriert ist, dass sie mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt ist, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung 602 strömt (wie z. B. durch einen Pfeil A dargestellt ist). Das thermoelektrische System 600 weist ferner mehrere thermoelektrische Elemente (nicht dargestellt) auf, die mit der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung 602 thermisch gekoppelt sind. Das thermoelektrische System 600 weist ferner mindestens einen Wärmetauscher 650 auf, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt und derart konfiguriert ist, dass er mit mindestens einem zweiten Fluid thermisch gekoppelt ist, das entlang des mindestens einen Wärmetauschers 650 strömt. Der mindestens eine Wärmetauscher 650 umschließt allgemein mindestens einen Abschnitt der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung 602 und mindestens einen Abschnitt der mehreren thermoelektrischen Elemente. Der mindestens eine Wärmetauscher 650 weist ferner mindestens eine Beschichtung 640 auf, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren.
In einigen Ausführungsformen kann die mindestens eine Beschichtung 640 mindestens einen Washcoat 642 aufweisen. Der mindestens eine Washcoat 642 kann in bestimmten Ausführungsformen mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus: Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Silika, Aluminiumoxid, usw. aufweisen. In einigen Ausführungsformen, weist der mindestens eine Washcoat 642 mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus: Platin, Palladium, Rhodium, Cer, Eisen, Mangan und Nickel auf. In bestimmten Ausführungsformen weist der mindestens eine Washcoat 642 ein katalytisches Material 644 auf, das dafür konfiguriert ist, Reaktionen des mindestens einen Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren.
Gemäß 33 kann das thermoelektrische System 600 in einigen Ausführungsformen ferner mindestens eine warmseitige Leitung 620 aufweisen, die derart konfiguriert ist, dass die mindestens eine zweite Fluidströmung die warmseitige Leitung durchströmt. Der mindestens eine Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers 650 ist innerhalb mindestens einer warmseitigen Leitung 620 angeordnet. Die mindestens eine warmseitige Leitung 620 kann die Strömung des mindestens einen zweiten Fluids derart beschränken, lenken oder ändern, dass das mindestens eine zweite Fluid entlang des mindestens einen Wärmetauschers 650 strömt und mit dem mindestens einen Wärmetauscher 650 thermisch gekoppelt ist.
Die 33–35 zeigen schematisch verschiedene Konfigurationsbeispiele gemäß bestimmten hierin beschriebenen Ausführungsformen, in denen das thermoelektrische System 600 ferner einen Katalysator 670 aufweist, wobei mindestens ein Abschnitt des Katalysators 670 innerhalb der mindestens einen warmseitigen Leitung 620 angeordnet ist. In einigen Ausführungsformen ist, wie in 33 dargestellt ist, mindestens ein Abschnitt des Katalysators 670 stromabwärts von dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers 650 angeordnet (beispielsweise strömt das mindestens eine zweite Fluid über den mindestens einen Wärmetauscher 650 und dann über den Katalysator 670). In einigen Ausführungsformen ist, wie in 34 dargestellt ist, mindestens ein Abschnitt des Katalysators 670 stromaufwärts von dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers 650 angeordnet (beispielsweise strömt das mindestens eine zweite Fluid über den Katalysator 670 und dann über den mindestens einen Wärmetauscher 650).
In einigen Ausführungsformen kann, wie in 35 dargestellt ist, die mindestens eine warmseitige Leitung 620 mindestens einen Durchflussregler 622 (z. B. mindestens ein Ventil), mindestens eine erste Leitung 624 und mindestens eine zweite Leitung 626 aufweisen. Der mindestens eine Durchflussregler 622 kann dafür konfiguriert sein, eine Strömung des zweiten Fluids durch die mindestens eine erste Leitung 624 und die mindestens eine zweite Leitung 626 selektiv zu ermöglichen oder zu blockieren. In einigen Ausführungsformen ist der mindestens eine Abschnitt des Katalysators 670 innerhalb der mindestens einen ersten Leitung 624 angeordnet und ist der mindestens eine Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers 650 innerhalb der mindestens einen zweiten Leitung 626 angeordnet. Beispielsweise kann der mindestens eine Durchflussregler 622 die Strömung mindestens eines Teils des zweiten Fluids selektiv derart teilen oder lenken, dass es durch die erste Leitung 624 und die zweite Leitung 626 strömt. In bestimmten Ausführungsformen, in denen der Katalysator 670 mit der ersten Leitung 624 in Fluidverbindung steht und der mindestens eine Wärmetauscher 650 mit der zweiten Leitung 626 in Fluidverbindung steht, kann die Strömung durch die erste Leitung 624 selektiv auf 0%, 100% oder beliebige Werte zwischen 0% und 100% verändert werden. Außerdem kann die Strömung durch die zweite Leitung 626 selektiv auf 0%, 100% oder beliebige Werte zwischen 0% und 100% verändert werden. Beispielsweise kann der Durchflussregler 622 die gesamte Strömung des mindestens einen zweiten Fluids selektiv durch die erste Leitung 624 lenken (beispielsweise die Strömung eines Motorabgases bei Temperaturen, die niedriger sind als eine Temperatur, die für Oxidationsreaktionen günstig ist, wie beispielsweise unmittelbar nach dem Start des Motorbetriebs, durch ein vorgewärmtes, katalysiertes thermoelektrisches System 600 lenken, um die Oxidationsreaktion des Abgases auch bei den niedrigeren Temperaturen zu fördern). In einigen Ausführungsformen kann der Durchflussregler 622 die gesamte Strömung des mindestens einen zweiten Fluids selektiv durch die zweite Leitung 626 lenken (beispielsweise die Strömung eines Motorabgases durch den Katalysator 670 lenken, wenn die Temperatur, der Staudruck und/oder die Schadstoffmenge des Abgases bestimmte Schwellenwerte überschreiten, die für das thermoelektrische Systems 600 und/oder den katalytischen Wärmetauscher 650 schädlich sind, so dass der Katalysator 670 vorteilhaft eine Oxidation unter solchen Bedingungen bereitstellen kann).
In einigen Ausführungsformen kann das mindestens eine zweite Fluid des thermoelektrischen Systems 600 ein Abgas eines Motors sein. In einigen Ausführungsformen kann das Abgas Kohlenwasserstoffmoleküle enthalten und ist die mindestens eine Beschichtung 640 dafür konfiguriert, Reaktionen mindestens einiger der Kohlenwasserstoffmoleküle zu katalysieren. In einigen Ausführungsformen ist die mindestens eine Beschichtung 640 ferner dafür konfiguriert, die Kohlenwasserstoffe innerhalb eines ersten Temperaturbereichs zu adsorbieren und die Kohlenwasserstoffe innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs freizusetzen, in dem die Temperaturen höher sind als im ersten Temperaturbereich. Beispielsweise wirkt die Beschichtung als eine sogenannte ”Kohlenwasserstofffalle”, wobei bei Temperaturen innerhalb eines ersten Temperaturbereichs, die für eine Oxidation oder katalytische Umwandlung von Kohlenwasserstoffen, Emissionen oder anderen Schadstoffen, zu niedrig sind, wie beispielsweise während eines Leerlaufzustands des Motors oder beim Motorstart, die Kohlenwasserstoffe, Emissionen oder anderen Schadstoffe durch die mindestens eine Beschichtung 640 adsorbiert werden. Wenn die Abgastemperaturen innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs liegen, der für die Oxidation oder katalytische Umwandlung hoch genug ist, werden die Kohlenwasserstoffe, Emissionen oder anderen Schadstoffe durch die mindestens eine Beschichtung 640 (z. B. Katalysator) für eine Oxidation freigesetzt. Der Katalysator oder der Washcoat kann Kohlenwasserstoffadsorptionsmaterialien enthalten, wie beispielsweise Zeolithe, um solche Schadstoffe zu adsorbieren, bis die Temperaturen für die Oxidation oder katalytische Umwandlung ausreichend sind.
In einigen Ausführungsformen kann das Abgas Rußpartikel enthalten und ist die mindestens eine Beschichtung 640 dafür konfiguriert, Reaktionen mindestens einiger der Rußpartikel zu katalysieren. In einigen Ausführungsformen kann das Abgas einen Brennstoff enthalten und ist die mindestens eine Beschichtung 640 dafür konfiguriert, Reaktionen mindestens eines Teils des Brennstoffs zu katalysieren. In einigen Ausführungsformen kann das thermoelektrische System 600 ferner ein Brennstoffdosierungs-Teilsystem aufweisen, das dafür konfiguriert ist, das Abgas mit Brennstoff anzureichern. In einigen Ausführungsformen kann der Brennstoff zur weiteren Anreicherung des Abgases mit Kohlenwasserstoffen verwendet werden, um eine exotherme Reaktion auf dem mindestens einen Wärmetauscher 650 oder im Katalysator 670 zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen kann eine solche Reaktion thermische Energie erzeugen, die durch die mehreren thermoelektrischen Elementen in zusätzliche elektrische Energie umgewandelt wird. In einigen Ausführungsformen kann durch das thermoelektrische System 600 zusätzliche elektrische Energie bereitgestellt werden (beispielsweise während eines ausgeschalteten Motorbetriebs). Beispielsweise kann eine katalytische Beschichtung auf dem mindestens einen Wärmetauscher 650 (z. B. auf den Lamellen 652) oder auf einem anderen Teil der thermoelektrischen Einheit 600 bereitgestellt werden, so dass, wenn dem thermoelektrischen Systems 600 Brennstoff zugeführt wird, an der Oberfläche des mindestens einen Wärmetauschers 650 eine flammenlose Verbrennung stattfindet, wodurch die notwendige thermische Energie (z. B. Wärme) zum Erzeugen elektrischer Energie bereitgestellt wird. Das Brennstoffdosierungs-Teilsystem kann eine Steuerung (z. B. einen Mikroprozessor) aufweisen, der dafür konfiguriert ist, eine stöchiometrische Brennstoffverbrennung durch geeignetes Steuern des Gasdurchflusses (z. B. als eine Funktion der Temperatur) zu gewährleisten.
In einigen Ausführungsformen weist der mindestens eine Wärmetauscher 650 des thermoelektrischen Systems 600 mehrere Lamellen 652 mit Oberflächen 654 auf (z. B. ein oder mehrere der verschiedenen Merkmale der vorstehend erwähnten Ausführungsformen), die die mindestens eine Beschichtung 640 aufweisen und dafür konfiguriert sind, zu ermöglichen, dass das mindestens eine zweite Fluid über die Oberflächen 654 strömt. In einigen Ausführungsformen erstrecken sich, wie in den 32A–32D und 36 dargestellt ist, die Oberflächen 654 in einer allgemein radialen Richtung relativ zu der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung 602.
In einigen Ausführungsformen erstreckt sich die mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung 602 in einer ersten Richtung und weist der mindestens eine Wärmetauscher 650 mehrere Oberflächen 654 auf, die sich allgemein parallel zueinander und in mindestens eine Richtung erstrecken, die sich allgemein radial zur ersten Richtung erstreckt (vergl. z. B. 32A–32D). In einigen Ausführungsformen ist, wie in 33 dargestellt ist, das thermoelektrische System 600 der 32A–32D derart konfiguriert, dass die mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung 602 sich in eine erste Richtung erstreckt (durch einen Pfeil A angezeigt) und das mindestens eine zweite Fluid entlang des mindestens einen Wärmetauschers 650 in eine zweite Richtung strömt (durch einen Pfeil B angezeigt), die sich allgemein senkrecht zur ersten Richtung erstreckt. In einigen Ausführungsformen weist der mindestens eine Wärmetauscher 650 mehrere Oberflächen 654 auf, die sich in mindestens eine Richtung erstrecken, die sich allgemein parallel zu der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung 602 erstreckt (vergl. z. B. 36). In einigen Ausführungsformen wird das thermoelektrische System 600 von 36 verwendet, bei dem die Lamellen 652 Oberflächen 654 haben, die sich allgemein parallel zur (z. B. entlang der) ersten Richtung erstrecken. Ein derartiges thermoelektrisches System 600 kann derart konfiguriert sein, dass das mindestens eine zweite Fluid entlang des mindestens einen Wärmetauschers 650 in einer zweiten Richtung strömt, die sich allgemein parallel zur ersten Richtung erstreckt.
In einigen Ausführungsformen kann das thermoelektrische System 600 ein oder mehrere Merkmale jeder der vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Einheiten und/oder Kartuschen aufweisen. Beispielsweise kann das thermoelektrische System 600 mindestens einen Wärmetauscher 650 mit mehreren Lamellen 652 aufweisen, wie vorstehend unter Bezug auf die thermoelektrischen Einheiten 10 und das thermoelektrische System 100 und/oder die Wärmetauscher 50 und 450 beschrieben wurde, wobei die Konfiguration aber nicht darauf beschränkt sein soll. In einigen Ausführungsformen weist ein thermoelektrisches System 600 einen Wärmetauscher 650 mit Lamellen auf, die mit einer Washcoat beschichtet sind, wie vorstehend beschrieben wurde (der beispielsweise einen Katalysator enthält, der Emissionen und/oder Ruß vermindern kann). In einigen Ausführungsformen kann der mindestens eine Wärmetauscher 650 (z. B. Lamellen) durch einen Peltier-/Joule-Effekt elektrisch beheizt werden, um die Anspring(Light-Off)temperatur schneller zu erreichen. In einigen Ausführungsformen weist das thermoelektrische System 600 keinen von der einen oder den mehreren thermoelektrischen Einheiten des thermoelektrischen Systems 600 getrennten Katalysator auf. Beispielsweise kann das thermoelektrische System 600 in einigen Ausführungsformen mindestens eine thermoelektrische Einheit mit mindestens einem Wärmetauscher 650 aufweisen, der mindestens eine Beschichtung aufweist, so dass die mindestens eine thermoelektrische Einheit ausreicht, um alle Schadstoffe, Emissionen, Ruß und/oder anderen Partikel zu eliminieren, ohne dass ein separater Katalysator benötigt wird, der üblicherweise in einem Fahrzeugabgassystem erforderlich ist.
Es können verschiedene Techniken verwendet werden, die Fachleuten auf dem Gebiet der Herstellung derartiger Beschichtungen bekannt sind, um die mindestens eine Beschichtung auf dem mindestens einen Wärmetauscher 650 aufzubringen. Beispielsweise können die thermoelektrische Einheit, das thermoelektrische System oder Wärmetauscherlamellen in eine Schlämme eingetaucht werden, um sie mit der Washcoat (z. B. Katalysator) zu beschichten. In einigen Ausführungsformen können die zu beschichtenden Komponenten während oder nach der Beschichtung gedreht werden, um eine homogene Washcoat-Beschichtung auf die Komponenten aufzubringen und/oder zu verhindern, dass Bereiche zwischen den Lamellen mit dem Washcoat verfüllt werden.
In einigen Ausführungsformen kann das thermoelektrische System 600 zum Kühlen des Abgases verwendet werden, um den Katalysator vor übermäßig hohen Temperaturen zu schützen. Allgemeinen treten derart hohe Temperaturen bei einer hohen Motorlast oder Drehzahl auf und können durch ”Benetzen” des Katalysatormaterials des Katalysators mit zusätzlichem Brennstoff vermindert werden. ”Benetzen” bezeichnet das Zuführen von übermäßigem Brennstoff zum Abgas, um die Abgastemperatur zu senken, wodurch der Katalysator vor Schäden durch übermäßig hohe Abgastemperaturen geschützt wird. Vergl. http://connection.ebscohost.com/c/articles/25353319/application-exhaust-heat-exchanger-protect-catalyst-improve-fuel-economy-spark-ignition-engine. Allerdings kann eine derartige Benetzung sowohl für den Brennstoffverbrauch als auch für Abgasemissionen nachteilig sein. In einigen Ausführungsformen kann die Verwendung eines thermoelektrischen Systems 600 das Erfordernis für ein ”Benetzen” durch Senken der Abgastemperaturen, die während einer hohen Motorlast auftreten, vermindern oder eliminieren.
Die 37A–37B zeigen schematisch Details eines Beispiels mehreren Lamellen 652 des mindestens einen Wärmetauschers 650. Wie dargestellt ist, weist der mindestens eine Wärmetauscher 650 einzelne Lamellen auf, die radial um die Kohlmittelleitung 602 angeordnet sind. Ein Washcoat 642 (z. B. ein Katalysatormaterial 644) kann auf die Lamellen 652 des mindestens einen Wärmetauschers 650 aufgebracht oder in den Lamellen 652 integriert sein. In einigen Ausführungsformen beträgt der Abstand (in 37B durch D dargestellt) zwischen den Lamellen 0,5 mm, 1 mm, 2 mm, 3 mm oder ist ein Wert dazwischen. Beispielsweise kann ein Abstand von 1 mm zwischen den Lamellen 652 einer typischen Kanalbreite von 400 Zellen pro Quadratzoll eines Katalysators mit einer Wabenstruktur entsprechen. In einigen Ausführungsformen wird durch 10 thermoelektrische Einheiten 600A mit Lamellen mit einer Höhe von 13 mm (wie in 37B durch H dargestellt) eine geometrische Oberfläche von 2,5 m² erhalten, was einem typischen 1-Liter-Katalysator entsprechen kann. Vergl. http://www.corning.com/WorkArea/downloadasset.aspx?id=32971, Seite 5.
Die 38A–38B zeigen schematisch ein weiteres beispielhaftes thermoelektrisches System 600. Allgemein emittieren Diesel- und Benzinmotoren mit Direkteinspritzung (GDI) Rußpartikel, die typischerweise in Rußadsorbern adsorbiert werden. Die Adsorber sind typischerweise keramische oder metallische Substrate, die mit einem Oxidationskatalysatormaterial beschichtet sind, um Rußpartikel durch NO- und NO₂-Adsorber kontinuierlich zu regenerieren, wie in Ranalli et al. ”DPT Soot Mapping, A simple and cost effective measurement method for series development” und Schaffner, et al. ”Diesel Particulate Filter: Exhaust aftertreatment for reduction of soot emissions” beschrieben ist. In einigen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können die Wärmetauscherlamellen 652 mit einer Washcoat beschichtet sein, der einen Katalysator für die Oxidation von Ruß enthält. Rußpartikel können die Lamellen verstopfen, insofern sie nicht oxidiert, vermindert oder eliminiert werden. Die Oxidationsreaktion der Rußpartikel kann in einigen Ausführungsformen durch das thermoelektrische System 600 genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen. 38B zeigt eine Teil-Querschnittansicht der Rußpartikel 660 auf einer katalytischen Beschichtung der Lamellen 652.
Das Ablaufdiagramm von 39 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems. Das thermoelektrische System kann mindestens eine Kühlmittelleitung, die derart konfiguriert ist, dass sie mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt ist, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine Kühlmittelleitung strömt, mehrere thermoelektrische Elemente, die mit der mindestens einen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind, und mindestens einen Wärmetauscher aufweisen, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist. Beispielsweise kann das thermoelektrische System eines der vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Systeme sein. Das Verfahren weist das Erzeugen einer Strömung mindestens eines zweiten Fluids in thermischer Kopplung mit dem mindestens einen Wärmetauscher auf (z. B. Schritt A in 39). Der mindestens eine Wärmetauscher weist mindestens eine Beschichtung auf, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren. Das Verfahren weist ferner das Zuführen mindestens eines Stroms zu den mehreren thermoelektrischen Elementen auf, so dass der mindestens eine Wärmetauscher durch die mehreren thermoelektrischen Elemente erwärmt oder gekühlt wird (z. B. Schritt B in 39).
In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Strom ausreichend, um den mindestens einen Wärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um die Katalyse durch die mindestens eine Beschichtung des mindestens einen Teils des mindestens einen zweiten Fluids in Gang zu setzen. In einigen Ausführungsformen ist der mindestens eine Strom ausreichend, um den mindestens einen Wärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um eine Erhöhung der Ausbeute der Reaktionen zu erzielen. In einigen Ausführungsformen ist der mindestens eine Strom ausreichend, um den mindestens einen Wärmetauscher auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreicht, um eine thermische Schädigung der mehreren thermoelektrischen Elemente zu vermeiden.
In einigen Ausführungsformen kann das thermoelektrische System ferner mindestens einen Katalysator stromabwärts von dem mindestens einen Wärmetauscher aufweisen. Der mindestens eine Strom ist ausreichend, um das mindestens eine zweite Fluid auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreicht, um eine thermische Schädigung des mindestens einen Katalysators zu vermeiden.
In einigen Ausführungsformen weist das thermoelektrische System ferner mindestens einen Katalysator und mindestens einen Durchflussregler auf. Das Verfahren weist ferner das Betreiben des mindestens einen Durchflussreglers zum selektiven Ermöglichen oder Blockieren der Strömung des mindestens einen Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu dem mindestens einen Wärmetauscher oder zu dem mindestens einen Katalysator auf.
In einigen Ausführungsformen ist das mindestens eine zweite Fluid das Abgas eines Motors. In einigen Ausführungsformen enthält das Abgas Kohlenwasserstoffmoleküle, Rußpartikel und/oder einen Brennstoff und weist das Verfahren ferner das Katalysieren von Reaktionen der Kohlenwasserstoffmoleküle, der Rußpartikel und/oder des Brennstoffs auf. In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner das Anreichern des Abgases mit Brennstoff auf. In einigen Ausführungsformen sind die Reaktionen mindestens eines Teils des Brennstoffs katalytische Verbrennungen. In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner das Adsorbieren von Kohlenwasserstoffen durch mindestens eine Beschichtung in einem ersten Temperaturbereich und das Freisetzen der Kohlenwasserstoffe von der mindestens einen Beschichtung in einem zweiten Temperaturbereich auf, in dem die Temperaturen höher sind als im ersten Bereich. In einigen Ausführungsformen weist das Verfahren ferner das Anreichern von Abgas eines Motors mit Brennstoff auf.
Gemäß einigen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems eines Fahrzeugs mit einem Hauptmotor bereitgestellt, wie im Ablaufdiagramm von 40 dargestellt ist. Das thermoelektrische System weist mindestens eine Kühlmittelleitung auf, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluids thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine Kühlmittelleitung strömt, mehrere thermoelektrische Elemente, die mit der mindestens einen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind, und mindestens einen Wärmetauscher, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist. Beispielsweise kann das thermoelektrische System eines der vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Systeme sein. Das Verfahren weist das Erzeugen einer Strömung mindestens eines zweiten Fluids in thermischer Kopplung mit dem mindestens einen Wärmetauscher auf. Das mindestens eine zweite Fluid weist während mindestens eines Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist, einen Brennstoff auf. Der mindestens eine Wärmetauscher weist mindestens eine Beschichtung auf, die dafür konfiguriert ist, eine katalytische Verbrennung mindestens eines Teils des Brennstoffs in Gang zu setzen. Das Verfahren weist ferner die Verwendung der katalytischen Verbrennung zum Zuführen von Wärme zu einem Teil der mehreren thermoelektrischen Elemente während mindestens des Zeitabschnitts auf, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist, so dass die mehreren thermoelektrischen Elemente elektrische Energie erzeugen.
Das Fahrzeug weist in bestimmten Ausführungsformen ein oder mehrere Teilsysteme auf (z. B. ein Satelliten-, Navigations-, Kommunikations-, Audio-, Video-, Heiz-, Kühlsystem, usw.), die dafür konfiguriert sind, elektrische Energie zu verbrauchen. Das Verfahren kann ferner die Nutzung der elektrischen Energie zum Betreiben eines oder mehrerer Teilsysteme während mindestens des Zeitabschnitts aufweisen, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist.
In einigen Ausführungsformen ist das mindestens eine zweite Fluid mindestens während eines Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor in Betrieb ist, ein Abgas des Hauptmotors. Das Verfahren weist ferner die Nutzung des Abgases zum Zuführen von Wärme zu dem Teil der mehreren thermoelektrischen Elemente mindestens während des Zeitabschnitts auf, in dem der Hauptmotor in Betrieb ist, so dass die mehreren thermoelektrischen Elemente elektrische Energie erzeugen.
Die verschiedenen hierin dargestellten Ausführungsformen sind allgemein unter Bezug auf die in den Figuren schematisch dargestellten Konfigurationen beschrieben worden. Es kommt jedoch in Betracht, dass bestimmte Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften jeglicher hierin beschriebener Konfigurationen in einer beliebigen geeigneten Weise in einer oder mehreren separaten Konfigurationen kombiniert sein können, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben sind. In vielen Fällen können die als einheitlich oder zusammenhängend dargestellten Strukturen getrennt sein, während sie weiterhin die Funktion(en) der einheitlichen Struktur ausführen. In vielen Fällen können Strukturen, die als separat beschrieben oder dargestellt sind, verbunden oder kombiniert sein, während immer noch die Funktion(en) der separaten Strukturen ausgeführt werden.
Vorstehend wurden verschiedene Konfigurationen beschrieben. Obwohl die Erfindung unter Bezug auf diese spezifischen Konfigurationen beschrieben worden ist, sollen die Beschreibungen lediglich zur Erläuterung dienen und nicht im einschränkenden Sinne verstanden werden. Für Fachleute ist ersichtlich, dass innerhalb des durch die beigefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der Erfindung verschiedene Modifikationen und Anwendungen realisierbar sind.

Claims

Thermoelektrisches System mit: mindestens einer rohrförmigen Kühlmittelleitung, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine rohrförmige Kühlmittelleitung strömt; mehreren thermoelektrischen Elementen, die mit der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind; und mindestens einem Wärmetauscher, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt und dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem zweiten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das entlang des mindestens einen Wärmetauschers strömt, wobei der mindestens eine Wärmetauscher mindestens einen Abschnitt der mindestens einen rohrförmigen Kühlmittelleitung und mindestens einen Abschnitt der mehreren thermoelektrischen Elemente allgemein umschließt, wobei der mindestens eine Wärmetauscher mindestens eine Beschichtung aufweist, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Beschichtung mindestens einen Washcoat aufweist.
System nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Washcoat mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Silika und Aluminiumoxid aufweist.
System nach Anspruch 2, wobei der mindestens eine Washcoat mindestens eine Komponente aus der Gruppe bestehend aus Platin, Palladium, Rhodium, Cer, Eisen, Mangan und Nickel aufweist.
System nach Anspruch 1, ferner mit mindestens einer warmseitigen Leitung, die derart konfiguriert ist, dass das mindestens eine zweite Fluid die Leitung durchströmt, wobei mindestens ein Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers innerhalb der mindestens einen warmseitigen Leitung angeordnet ist.
System nach Anspruch 5, ferner mit einem Katalysator, wobei mindestens ein Abschnitt des Katalysators innerhalb der mindestens einen warmseitigen Leitung angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Abschnitt des Katalysators stromabwärts von dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Abschnitt des Katalysators stromaufwärts von dem mindestens einen Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers angeordnet ist.
System nach Anspruch 6, wobei die mindestens eine warmseitige Leitung mindestens einen Durchflussregler, mindestens eine erste Leitung und mindestens eine zweite Leitung aufweist, wobei der mindestens eine Durchflussregler dafür konfiguriert ist, eine Strömung durch die mindestens eine erste Leitung und die mindestens eine zweite Leitung selektiv zu ermöglichen oder zu blockieren.
System nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Abschnitt des Katalysators innerhalb der mindestens einen ersten Leitung angeordnet ist und der mindestens eine Abschnitt des mindestens einen Wärmetauschers innerhalb der mindestens einen zweiten Leitung angeordnet ist.
System nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine zweite Fluid ein Abgas eines Motors ist.
System nach Anspruch 11, wobei das Abgas Kohlenwasserstoffmoleküle enthält, und wobei die mindestens eine Beschichtung dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens einiger der Kohlenwasserstoffmoleküle zu katalysieren.
System nach Anspruch 11, wobei das Abgas Rußpartikel enthält und die mindestens eine Beschichtung dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens einiger der Rußpartikel zu katalysieren.
System nach Anspruch 11, wobei das Abgas Brennstoff enthält und die mindestens eine Beschichtung dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teils des Brennstoffs zu katalysieren.
System nach Anspruch 14, ferner mit einem Brennstoffdosierungs-Teilsystem. das dafür konfiguriert ist, das Abgas mit Brennstoff anzureichern.
System nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine Beschichtung ferner dafür konfiguriert ist, Kohlenwasserstoffe innerhalb eines ersten Temperaturbereichs zu adsorbieren und die Kohlenwasserstoffe innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs freizusetzen, in dem die Temperaturen höher sind als im ersten Temperaturbereich.
System nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Wärmetauscher mehrere Lamellen mit Oberflächen aufweist, die die mindestens eine Beschichtung aufweisen und dafür konfiguriert sind, zu ermöglichen, dass das mindestens eine zweite Fluid über die Oberflächen strömt.
System nach Anspruch 17, wobei die Oberflächen sich in eine allgemein radiale Richtung bezüglich der mindestens einen rohrförmigen Kühlleitung erstrecken.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine rohrförmige Kühlleitung sich in eine erste Richtung erstreckt und das mindestens eine zweite Fluid entlang des mindestens einen Wärmetauschers in eine zweite Richtung strömt, die sich allgemein senkrecht zur ersten Richtung erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine rohrförmige Kühlleitung sich in eine erste Richtung erstreckt und das mindestens eine zweite Fluid entlang des mindestens einen Wärmetauscher in eine zweite Richtung strömt, die sich allgemein parallel zur ersten Richtung erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine rohrförmige Kühlleitung sich in eine erste Richtung erstreckt und der mindestens eine Wärmetauscher mehrere Oberflächen aufweist, die allgemein parallel zueinander angeordnet sind und sich in mindestens eine Richtung erstrecken, die sich bezüglich der ersten Richtung allgemein radial erstreckt.
System nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Wärmetauscher mehrere Oberflächen aufweist, die sich in mindestens eine Richtung erstrecken, die sich allgemein parallel zu der mindestens einen rohrförmigen Kühlleitung erstreckt.
Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems, wobei das thermoelektrische System mindestens eine Kühlmittelleitung, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine Kühlmittelleitung strömt, mehrere thermoelektrische Elemente, die mit der mindestens einen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind, und mindestens einen Wärmetauscher aufweist, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen einer Strömung mindestens eines zweiten Fluids in thermischer Kopplung mit dem mindestens einen Wärmetauscher, wobei der mindestens eine Wärmetauscher mindestens eine Beschichtung aufweist, die dafür konfiguriert ist, Reaktionen mindestens eines Teil des mindestens einen zweiten Fluids zu katalysieren; und Zuführen mindestens eines Stroms zu den mehreren thermoelektrischen Elementen, so dass der mindestens eine Wärmetauscher durch die mehreren thermoelektrischen Elemente erwärmt oder gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der mindestens eine Strom ausreichend ist, um den mindestens einen Wärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um eine Katalyse durch die mindestens eine Beschichtung des mindestens einen Teils des mindestens einen zweiten Fluids in Gang zu setzen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der mindestens eine Strom ausreichend ist, um den mindestens einen Wärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, die ausreicht, um eine Ausbeute der Reaktionen zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der mindestens eine Strom ausreichend ist, um den mindestens einen Wärmetauscher auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreichend ist, um eine thermische Schädigung der mehreren thermoelektrischen Elemente zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das thermoelektrische System ferner mindestens einen Katalysator stromabwärts von dem mindestens einen Wärmetauscher aufweist, wobei der mindestens eine Strom ausreichend ist, um das mindestens eine zweite Fluid auf eine Temperatur abzukühlen, die ausreicht, um eine thermische Schädigung des mindestens einen Katalysators zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das thermoelektrische System ferner mindestens einen Katalysator und mindestens einen Durchflussregler aufweist, wobei das Verfahren ferner das Betreiben des mindestens einen Durchflussreglers aufweist, um eine Strömung des mindestens einen Teils des mindestens einen zweiten Fluids zu dem mindestens einen Wärmetauscher oder zu dem mindestens einen Katalysator selektiv zu ermöglichen oder zu blockieren.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei das mindestens eine zweite Fluid ein Abgas eines Motors aufweist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Abgas Kohlenwasserstoffmoleküle aufweist, und wobei das Verfahren ferner das Katalysieren von Reaktionen mindestens einiger der Kohlenwasserstoffmoleküle aufweist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Abgas Rußpartikeln enthält, und wobei das Verfahren ferner das Katalysieren von Reaktionen mindestens einiger der Rußpartikel aufweist.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei das Abgas einen Brennstoff enthält, und wobei das Verfahren ferner das Katalysieren von Reaktionen mindestens eines Teils des Brennstoffs aufweist.
Verfahren nach Anspruch 32, ferner mit dem Anreichern des Abgases mit dem Brennstoff.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei die Reaktionen mindestens eines Teils des Brennstoffs eine katalytische Verbrennung aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 29, ferner mit dem Adsorbieren von Kohlenwasserstoffen durch die mindestens eine Beschichtung innerhalb eines ersten Temperaturbereichs und Freisetzen der Kohlenwasserstoffe von der mindestens einen Beschichtung innerhalb eines zweiten Temperaturbereichs, in dem die Temperaturen höher sind als im ersten Temperaturbereich.
Verfahren zum Betreiben eines thermoelektrischen Systems eines Fahrzeugs mit einem Hauptmotor, wobei das thermoelektrische System mindestens eine Kühlmittelleitung, die dafür konfiguriert ist, mit mindestens einem ersten Fluid thermisch gekoppelt zu sein, das in einer ersten Richtung durch die mindestens eine Kühlmittelleitung strömt, mehrere thermoelektrische Elemente, die mit der mindestens einen Kühlmittelleitung thermisch gekoppelt sind, und mindestens einen Wärmetauscher aufweist, der mit den mehreren thermoelektrischen Elementen thermisch gekoppelt ist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Erzeugen einer Strömung mindestens eines zweiten Fluids in thermischer Kopplung mit dem mindestens einen Wärmetauscher, wobei das mindestens eine zweite Fluid während mindestens eines Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist, einen Brennstoff aufweist, wobei der mindestens eine Wärmetauscher mindestens eine Beschichtung aufweist, die dafür konfiguriert ist, eine katalytische Verbrennung mindestens eines Teils des Brennstoffs in Gang zu setzen; und Nutzen der katalytischen Verbrennung zum Zuführen von Wärme zu einem Abschnitt der mehreren thermoelektrischen Elemente während mindestens des Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist, so dass die mehreren thermoelektrischen Elemente elektrische Energie erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das Fahrzeug ein oder mehrere Teilsysteme aufweist, die dafür konfiguriert sind, elektrische Energie zu verbrauchen, und wobei das Verfahren ferner die Nutzung der elektrischen Energie zum Betreiben des einen oder mehrerer Teilsysteme während mindestens des Zeitabschnitts aufweist, in dem der Hauptmotor nicht in Betrieb ist.
Verfahren nach Anspruch 36, wobei das mindestens eine zweite Fluid mindestens während eines Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor in Betrieb ist, ein Abgas vom Hauptmotor aufweist.
Verfahren nach Anspruch 38, ferner mit der Nutzung des Abgases zum Zuführen von Wärme zu dem Abschnitt der mehreren thermoelektrischen Elemente mindestens während des Zeitabschnitts, in dem der Hauptmotor in Betrieb ist, so dass die mehreren thermoelektrischen Elemente elektrische Energie erzeugen.