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Die
Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator mit einer
ersten Trägerkeramik,
die einer Wärmequelle
zugeordnet ist, einer zweiten Trägerkeramik,
die einer Wärmesenke
zugeordnet ist, und einer Vielzahl von Halbleiterelementen, die
zwischen den beiden Trägerkeramiken
angeordnet sind.
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Ein
solcher thermoelektrischer Generator kann dazu verwendet werden,
die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke
in einen elektrischen Strom umzusetzen. Es gibt in jüngster Zeit
einige Bestrebungen, mit einem solchen thermoelektrischen Generator
wenigstens einen Teil des elektrischen Energiebedarfs eines Kraftfahrzeugs
zu decken, indem die Abwärme
der Verbrennungskraftmaschine zur Erzeugung der elektrischen Energie
verwendet wird. Dabei bietet es sich an, den thermoelektrischen
Generator entweder mit der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlwasser
der Verbrennungskraftmaschine und der Umgebung oder der Temperaturdifferenz
zwischen dem Abgas und der Umgebung zu betreiben.
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Wichtig
für einen
guten Wirkungsgrad und eine möglichst
hohe Leistung des thermoelektrischen Generators ist ein guter Wärmeübergang
zu den beiden Trägerkeramiken.
Bisher wird üblicherweise
der thermoelektrische Generator mechanisch eingespannt, sodass die
Trägerkeramik
beispielsweise auf der Seite der Wärmequelle gegen die Wand eines Abgasrohres
und auf der Seite der Wärmesenke
gegen ein Kühlblech
gedrückt
wird. Allerdings sind recht hohe Drücke in der Größenordnung
bis 200 psi notwendig, um einen guten Wärmeübergang zur Trägerkeramik
zu gewährleisten.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Aufwand für die Anbringung
des thermoelektrischen Generators und für die Aufrechterhaltung eines
guten Wärmeübergangs
zur Trägerkeramik
zu verringern.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem
thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art vorgesehen,
dass mindestens eine der beiden Trägerkeramiken in die Wärmequelle
bzw. Wärmesenke
integriert ist. Anders ausgedrückt
bedeutet dies, dass die Wärmequelle
bzw. Wärmesenke
nicht mehr als zum thermoelektrischen Generator getrenntes Bauteil
vorgesehen ist, sondern entweder so weit integriert ist, dass die
Trägerkeramik
integraler Bestandteil der Wärmequelle
bzw. der Wärmesenke
ist, oder wenigstens stoffschlüssig mit
der Wärmequelle
bzw. der Wärmesenke
verbunden ist. Auf diese Weise wird die mechanische Trennung zwischen
der Trägerkeramik
und der Wärmequelle
bzw. der Wärmesenke
vermieden, die bisher eine hohe mechanische Andruckkraft erfordert
hat, um einen guten Wärmeübergang
zu gewährleisten.
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Die
stoffschlüssige
Verbindung kann insbesondere durch eine Schicht aus einem Lotmaterial gebildet
sein. Dies gewährleistet
einen sehr guten Wärmeübergang
von der Wärmequelle
bzw. Wärmesenke
zur entsprechenden Trägerkeramik.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Trägerkeramik
mit einer Metallbeschichtung versehen ist, mit der das Lotmaterial
verbunden ist. Die Metallbeschichtung gewährleistet, dass das Lotmaterial
eine gute Verbindung eingeht.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass das Lotmaterial ein Aktivlot ist, das
unmittelbar mit der Trägerkeramik
verbunden ist. Ein solches Aktivlot vermeidet die Notwendigkeit,
die Trägerkeramik
erst metallisch zu beschichten, bevor sie verlötet werden kann.
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Wenn
die im Betrieb auftretenden Temperaturen eine Temperatur in der
Größenordnung
von etwa 200°C
nicht überschreiten,
kann die stoffschlüssige
Verbindung auch durch eine Schicht aus einem Wärmeleitkleber gebildet sein.
Ein Wärmeleitkleber gewährleistet
einen sehr guten Wärmeübergang,
der sogar noch etwas besser ist als bei Lotmaterial.
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Die
Wärmequelle
bzw. Wärmesenke
kann ein kühlwasserführendes
Bauteil sein. Insbesondere das von der Verbrennungskraftmaschine
erwärmte Motorkühlwasser
kann als Wärmequelle
für den
thermoelektrischen Generator dienen, wobei dann die Umgebungstemperatur
als Wärmesenke
dient.
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Alternativ
kann vorgesehen sein, dass die Wärmequelle
bzw. Wärmesenke
ein Wärmetauscher ist.
Ein solcher Wärmetauscher
kann beispielsweise ein sogenannter Zuheizer für ein Kraftfahrzeug sein, mit
dem dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine Wärmeenergie entzogen werden
kann.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Wärmequelle
ein abgasführendes
Bauteil ist. Dies ermöglicht
es, ein sehr großes
Temperaturgefälle
relativ zur Umgebung für
die Stromgewinnung zu nutzen.
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Als
Wärmesenke
kann ein Kühlblech
verwendet werden, sodass mit geringem Aufwand vergleichsweise große Wärmemengen
an die Umgebung abgegeben werden können.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, dass die Trägerkeramik
mit mehreren Wärmeübertragungsrippen versehen
ist. Dies ermöglicht
es, die Trägerkeramik unmittelbar
ohne Zwischenschaltung zusätzlicher Bauteile
als Wärmequelle
bzw. Wärmesenke
zu verwenden. Im Falle einer Wärmequelle
können
die Wärmeübertragungsrippen
beispielsweise unmittelbar in eine Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine
hineinragen. Im Falle einer Wärmesenke
können
die Wärmeübertragungsrippen
beispielsweise von der Umgebungsluft umströmt werden.
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Es
kann auch vorgesehen sein, dass die Trägerkeramik mit einem Durchströmungskanal
versehen ist. Dies ermöglicht
es, beispielsweise das erwärmte
Motorkühlwasser
unmittelbar durch die Trägerkeramik
zu führen,
sodass diese ohne Zwischenschaltung sonstiger Elemente als Wärmequelle
wirkt. Dementsprechend hoch ist der thermische Wirkungsgrad.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 in
einem schematischen Schnitt einen thermoelektrischen Generator gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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2 in
einem schematischen Schnitt einen thermoelektrischen Generator gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 in
einem schematischen Schnitt einen thermoelektrischen Generator gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 in
einem schematischen Schnitt einen thermoelektrischen Generator gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 in
einem schematischen Schnitt einen thermoelektrischen Generator gemäß einer
fünften Ausführungsform
der Erfindung; und
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6 in
einem schematischen Schnitt einen thermoelektrischen Generator gemäß einer
sechsten Ausführungsform
der Erfindung.
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In 1 ist
schematisch ein thermoelektrischer Generator gezeigt, der eine erste
Trägerkeramik 10,
eine zweite Trägerkeramik 12 und
dazwischen angeordnete Halbleiterelemente 14 aufweist. Diese
Anordnung nutzt den sogenannten Peltier-Effekt und erzeugt, wenn
zwischen der ersten Trägerkeramik 10 und
der zweiten Trägerkeramik 12 eine Temperaturdifferenz
vorliegt, eine Spannungsdifferenz. Dies ist allgemein bekannt und
wird hier nicht weiter erläutert.
Für die
nachfolgenden Ausführungsbeispiele
wird jeweils angenommen, dass die erste Trägerkeramik 10 sich
im Betrieb auf einem höheren Temperaturniveau
befinden soll als die zweite Trägerkeramik 12.
Anders ausgedrückt
ist die erste Trägerkeramik 10 einer
Wärmequelle
zugeordnet, und die zweite Trägerkeramik 12 ist
einer Wärmesenke zugeordnet.
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Beim
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die erste Trägerkeramik 10 mittels
einer stoffschlüssigen Verbindung
mit der Außenwand
eines Abgasrohres 16 verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung
besteht hier aus einer Schicht aus einem Lotmaterial 18.
Im Hinblick auf die im Betrieb auftretenden Bedingungen wird vorzugsweise
ein Hartlot verwendet.
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Beim
Lotmaterial 18 kann es sich um ein sogenanntes Aktivlot
handeln, welches zum Verlöten von
Keramikmaterial geeignet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass
die erste Trägerkeramik 10 auf
ihrer Außenseite
mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, an der dann wiederum
das Lotmaterial angreift.
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Die
zweite Trägerkeramik 12 ist
mittels einer stoffschlüssigen
Verbindung mit einem Kühlkörper 20 verbunden.
Für die
stoffschlüssige
Verbindung wird hier vorzugsweise ein Wärmeleitkleber 22 verwendet.
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Die
stoffschlüssigen
Verbindungen durch das Lotmaterial 18 und den Wärmeleitkleber 22 gewährleisten
einen sehr guten Wärmeübergang
vom Abgasrohr 16 zur ersten Trägerkeramik 10 und
von der zweiten Trägerkeramik 12 zum Kühlkörper 20.
Es ist nicht mehr erforderlich, einen hohen mechanischen Anpressdruck
zwischen der Trägerkeramik 10 und
dem Abgasrohr 16 bzw. zwischen dem Kühlkörper 20 und der zweiten
Trägerkeramik 12 vorzusehen.
Im Hinblick auf die Festigkeit und unter Berücksichtigung der auftretenden
mechanischen Vibrationen kann zusätzlich zur stoffschlüssigen Verbindung eine
leichte mechanische Vorspannung erzeugt werden, beispielsweise durch
eine (nicht dargestellte) Federklammer.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
gezeigt. Für
die von der ersten Ausführungsform
bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und
es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der
Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht
hier darin, dass als Wärmequelle
Kühlwasser K
verwendet wird, das von einem Verbrennungsmotor stammt. Dieses wird
durch einen Wärmetauscher 24 geleitet,
der mittels einer stoffschlüssigen
Verbindung mit der ersten Trägerkeramik
verbunden ist. Hierzu kann insbesondere wieder ein Wärmeleitkleber 22 verwendet
werden.
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In 3 ist
eine dritte Ausführungsform
gezeigt. Für
die von den vorhergehenden Ausführungsformen
bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und
es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der
Unterschied zwischen der zweiten und der dritten Ausführungsform
besteht darin, dass bei der dritten Ausführungsform das Kühlwasser
K unmittelbar durch die erste Trägerkeramik 10 geleitet wird.
Diese ist zu diesem Zweck mit mindestens einem Durchströmungskanal 26 versehen.
Auf diese Weise entfällt
der Wärmeübergang
vom Wärmetauscher 24 zur
ersten Trägerkeramik 10,
wie er bei der Ausführungsform
von 2 vorhanden ist.
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In 4 ist
eine vierte Ausführungsform
gezeigt. Für
die von den vorhergehenden Ausführungsformen
bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und
es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Die
vierte Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die
zweite Trägerkeramik 12 mit
mehreren Wärmeübertragungsrippen 28 versehen
ist, sodass sie selbst unmittelbar als Kühlkörper wirkt. Dadurch entfällt der Wärmeübergang
von der zweiten Trägerkeramik 12 zum
Kühlkörper 20,
wie er bei der Ausführungsform gemäß 1 vorhanden
ist.
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In 5 ist
eine fünfte
Ausführungsform
gezeigt. Für
die von den vorhergehenden Ausführungsformen
bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und
es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der
Unterschied zwischen der fünften
und der ersten Ausführungsform
besteht darin, dass bei der fünften
Ausführungsform
die erste Trägerkeramik 10 mit
Wärmeübertragungsrippen 28 versehen
ist, die durch eine Öffnung 30 im
Abgasrohr 16 in das Innere des Abgasrohres hineinragen.
Somit wird die Trägerkeramik 10 unmittelbar
vom heißen
Abgasstrom erwärmt,
und es entfällt
der Wärmeübergang vom
Abgasrohr 16 zur ersten Trägerkeramik 10, wie er
bei der ersten Ausführungsform
vorhanden ist.
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Auf
Seite der zweiten Trägerkeramik 12 wird bei
der fünften
Ausführungsform
ein Kühlkörper 20 verwendet,
der als ebenes Blech ausgebildet ist.
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In 6 ist
eine sechste Ausführungsform gezeigt.
Für die
von den vorhergehenden Ausführungsformen
bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und
es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der
Unterschied zwischen der sechsten und der fünften Ausführungsform besteht darin, dass
bei der sechsten Ausführungsform
die zweite Trägerkeramik 12 als
Wärmetauscher
ausgebildet ist und zu diesem Zweck mit einem Durchströmungskanal 26 versehen
ist. Auf diese Weise erfolgt eine Zwangskühlung der zweiten Trägerkeramik 12 mittels
eines geeigneten Kühlmittels.
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Bei
der sechsten Ausführungsform
erfolgt der Wärmeeintrag
in die erste Trägerkeramik 10 sowie
die Wärmeabfuhr
von der zweiten Trägerkeramik 12 unmittelbar
durch Kontakt mit dem sich auf einer hohen Temperatur befindenden
Medium (dem Abgas) und dem sich auf der niedrigen Temperatur befindenden
Medium (der Umgebungsluft). Es liegen somit keine Wärmeübergangsstellen
zwischen anderen Bauteilen und der entsprechenden Trägerkeramik
vor.