DE202012000572U1

DE202012000572U1 - Thermoelectric generator arrangement (I)

Info

Publication number: DE202012000572U1
Application number: DE202012000572U
Authority: DE
Original assignee: ABB Technology AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-02-27
Anticipated expiration: 2022-01-21

Abstract

Thermoelektrische Generatoranordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle (4) und einer Wärmesenke (5) mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlerelement (1), das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement (2, 3) eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement (2) mit der Wärmequelle (4) und das zweite Wärmeleitelement (3) mit der Wärmesenke (5) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoelektrische Wandlerelement (1) mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff mit den beiden Wärmeleitelementen (2, 3) unter Druck verklebt ist.Thermoelectric generator arrangement for generating electrical energy from a temperature gradient between a heat source (4) and a heat sink (5) with at least one thermoelectric converter element (1) which is embedded between a first and a second heat-conducting element (2, 3), the first heat-conducting element (2) with the heat source (4) and the second heat-conducting element (3) with the heat sink (5), characterized in that the at least one thermoelectric conversion element (1) with a thermally conductive adhesive with the two heat-conducting elements (2, 3 ) is glued under pressure.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoranordnung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Temperaturgefälle zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke.The invention relates to a thermoelectric generator arrangement for generating electrical energy from a temperature gradient between a heat source and a heat sink.

Derartige Generatoranordnungen weisen mindestens ein thermoelektrisches Wandlerelement auf, das zwischen einem ersten und einem zweiten Wärmeleitelement eingebettet ist, wobei das erste Wärmeleitelement mit der Wärmequelle und das zweite Wärmeleitelement mit der Wärmesenke verbunden ist.Such generator arrangements have at least one thermoelectric conversion element which is embedded between a first and a second heat-conducting element, wherein the first heat-conducting element is connected to the heat source and the second heat-conducting element is connected to the heat sink.

Aus der DE 10 2007 056 150 A1 ist ein Sensorsystem mit einer thermoelektrischen Generatoranordnung bekannt, bei dem das thermoelektrische Wandlerelement unter Zwischenlage eines das Wandlerelement umgebenden Abstandshalters aus thermisch isolierendem Kunststoff mit den Wärmeleitelementen verbunden ist. Diese Konstruktion gewährleistet prinzipiell eine gute thermische Ankopplung des Wandlerelements an die Wärmeleitelemente und einen hohen Wärmefluß durch das thermoelektrische Wandlerelement und somit eine hohe Energieausbeute bei hoher mechanischer Stabilität.From the DE 10 2007 056 150 A1 a sensor system with a thermoelectric generator arrangement is known, in which the thermoelectric conversion element is connected with the interposition of a surrounding the transducer element spacer made of thermally insulating plastic with the heat conducting elements. This construction ensures in principle a good thermal coupling of the transducer element to the heat conducting elements and a high heat flux through the thermoelectric transducer element and thus a high energy yield with high mechanical stability.

Nachteilig an dieser Anordnung ist die große Toleranzabhängigkeit dieser Bauweise. Die thermoelektrischen Wandlerelemente weisen herstellungsbedingt unterschiedliche Bauhöhen auf. Bei gleichbleibender Bauhöhe des Abstandshalters erhöht sich der thermische Übergangswiderstand zu den Wärmeleitelementen bei Wandlerelementen geringerer Bauhöhe. Im gleichen Verhältnis sinkt die Energieausbeute der Generatoranordnung.A disadvantage of this arrangement is the large tolerance dependence of this design. The thermoelectric transducer elements have manufacturing due to different heights. If the overall height of the spacer remains the same, the thermal contact resistance to the heat-conducting elements in the case of converter elements of smaller overall height increases. In the same ratio, the energy yield of the generator arrangement decreases.

Darüber hinaus weisen nicht nur die thermoelektrischen Wandlerelemente unterschiedliche Bauhöhen auf sondern auch die Abstandshalter sind toleranzbehaftet. Versuche mit einem Abstandshalter, dessen Mindestbauhöhe (Minus-Toleranz) geringfügig größer ist als die Höchstbauhöhe (Plus-Toleranz) des thermoelektrischen Wandlerelements, das mittels eines gut wärmeleitfähigen Füllmaterials mit den Wärmeleitelementen thermisch verbunden ist, haben gezeigt, dass eine reproduzierbare thermische Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Wandlerelement und den Wärmeleitelementen mit dem bekannten „Sandwich”-Aufbau nicht zu realisieren ist.In addition, not only the thermoelectric conversion elements have different heights but also the spacers are subject to tolerances. Experiments with a spacer whose minimum height (minus tolerance) is slightly greater than the maximum height (plus tolerance) of the thermoelectric conversion element, which is thermally connected by means of a good thermal conductivity filler with the heat conducting elements, have shown that a reproducible thermal connection between the Thermoelectric transducer element and the heat-conducting elements with the known "sandwich" structure can not be realized.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Generatoranordnung anzugeben, die gegenüber Bauhöhentoleranzen der thermoelektrischen Wandlerelemente unempfindlich ist.The invention is therefore based on the object to provide a thermoelectric generator assembly which is insensitive to height tolerances of the thermoelectric transducer elements.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.According to the invention, this object is achieved with the features of patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Im Einzelnen ist das mindestens eine thermoelektrische Wandlerelement mit einem thermisch leitfähigen Klebstoff mit den beiden Wärmeleitelementen unter Druck verklebt. Dabei passt sich der Abstand der Wärmeleitelemente der tolerierenden Bauhöhe des Wandlerelements an. Somit sind der Wärmefluß durch das thermoelektrische Wandlerelement und die Energieausbeute unabhängig von der tatsächlichen Bauhöhe des Wandlerelements.In detail, the at least one thermoelectric transducer element is adhesively bonded with a thermally conductive adhesive to the two heat-conducting elements under pressure. In this case, the distance of the heat-conducting of the tolerant height of the transducer element adapts. Thus, the heat flow through the thermoelectric conversion element and the energy yield are independent of the actual height of the transducer element.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung stehen sich die wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente deckungsgleich gegenüber. Dadurch wird ein gleichmäßiger Wärmefluß durch das Wandlerelement erreicht.According to a further feature of the invention, the converter-side contact surfaces of the heat-conducting elements are congruent. As a result, a uniform heat flow is achieved by the transducer element.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente von einer gemeinsamen Manschette geringer Wärmeleitfähigkeit formschlüssig umschlossen. Die Manschette bewirkt eine Führung der Wärmeleitelemente derart, dass sie sich zur Montage der Generatoranordnung deckungsgleich gegenüberstehen und diese Position dauerhaft aufrechterhalten.According to a further feature of the invention, the converter-side contact surfaces of the heat-conducting elements are positively enclosed by a common sleeve of low thermal conductivity. The sleeve causes a guide of the heat-conducting elements such that they are congruent with each other for mounting the generator assembly and maintain this position permanently.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist mindestens ein Wärmeleitelement eine Auskragung auf, auf der die Manschette abgestützt ist. Vorteilhafterweise erleichtert diese Auskragung den korrekten Sitz der Manschette insbesondere bei der Montage der Generatoranordnung. Darüber hinaus bietet die Auskragung eine zusätzliche Kontaktfläche zur Befestigung der Manschette.According to a further feature of the invention, at least one heat-conducting element has a projection on which the sleeve is supported. Advantageously, this projection facilitates the correct seat of the sleeve, in particular during assembly of the generator assembly. In addition, the projection provides an additional contact surface for attachment of the sleeve.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Manschette mit einem der Wärmeleitelemente kraftschlüssig verbunden. Vorteilhafterweise wird dadurch der korrekte Sitz der Manschette dauerhaft gewährleistet. Dabei kann vorgesehen sein, die Manschette mit dem Wärmeleitelement zu verkleben.According to a further feature of the invention, the sleeve is positively connected to one of the heat-conducting elements. Advantageously, this ensures the correct fit of the cuff permanently. It can be provided to glue the sleeve with the heat-conducting element.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Raum zwischen den wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente mit einem Füllstoff geringer Wärmeleitfähigkeit zumindest teilweise ausgefüllt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs vermeidet jede Verminderung der Energieausbeute.According to a further feature of the invention, the space between the transducer-side contact surfaces of the heat-conducting elements is at least partially filled with a filler of low thermal conductivity. The low thermal conductivity of the filler avoids any reduction in the energy yield.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Generatoranordnung geschnitten dargestellt. Die Generatoranordnung besteht im wesentlichen aus mindestens einem thermoelektrischen Wandlerelement 1, das zwischen einem ersten Wärmeleitelement 2 und einem zweiten Wärmeleitelement 3 eingebettet ist. In Abhängigkeit vom Energiebedarf der von der Generatoranordnung gespeisten elektrischen Einrichtung können mehrere Wandlerelemente 1 in einer Ebene benachbart angeordnet sein.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment. In the single figure, a generator assembly according to the invention is shown in section. The generator arrangement consists essentially of at least one thermoelectric conversion element 1 between a first heat conducting element 2 and a second heat conducting element 3 is embedded. Depending on the energy demand of the Generator arrangement powered electrical device can have multiple transducer elements 1 be arranged adjacent in a plane.

Das ersten Wärmeleitelement 2 ist mit einer Wärmequelle 4 verbunden, während das zweite Wärmeleitelement 3 mit einer Wärmesenke 5 verbunden ist. Das Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle 4 und der Wärmesenke 5 wird zur Gewinnung elektrischer Energie ausgebeutet.The first heat-conducting element 2 is with a heat source 4 connected while the second heat conducting element 3 with a heat sink 5 connected is. The temperature gradient between the heat source 4 and the heat sink 5 is exploited for the production of electrical energy.

Unter der Voraussetzung, dass die Wärmequelle 4 eine höhere Temperatur als die Umgebungsluft aufweist, ist das zweite Wärmeleitelement 3 als Kühlkörper ausgebildet, der von der Umgebungsluft als Wärmesenke 5 umspült wird.Provided that the heat source 4 has a higher temperature than the ambient air is the second heat conducting element 3 formed as a heat sink, the ambient air as a heat sink 5 is washed around.

Das Wandlerelement 1 ist mit den Wärmeleitelementen 2 und 3 wärmeleitend unter Druck verklebt. In bevorzugter Ausführung ist dazu ein silberhaltiges Epoxidharz 9 vorgesehen. Damit wird bei hoher mechanischer Stabilität ein widerstandsarmer Wärmefluß zwischen den Wärmeleitelementen 2 und 3 und dem Wandlerelement 1 erreicht.The transducer element 1 is with the heat conducting elements 2 and 3 thermally conductive bonded under pressure. In a preferred embodiment, this is a silver-containing epoxy resin 9 intended. Thus, with high mechanical stability, a low-resistance heat flow between the heat-conducting elements 2 and 3 and the transducer element 1 reached.

Die wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente 2 und 3 stehen sich deckungsgleich gegenüber. Dadurch wird ein gleichmäßiger Wärmefluß durch des Wandlerelement 1 erreicht.The transducer-side contact surfaces of the heat-conducting elements 2 and 3 are congruent with each other. As a result, a uniform heat flow through the transducer element 1 reached.

Die wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente 2 und 3 sind von einer gemeinsamen Manschette 6 geringer Wärmeleitfähigkeit formschlüssig umschlossen. Die Manschette 6 bewirkt eine Führung der Wärmeleitelemente 2 und 3 derart, dass sich ihre wandlerseitigen Kontaktflächen zur Montage der Generatoranordnung deckungsgleich und planparallel gegenüberstehen und diese Position dauerhaft aufrechterhalten. Die Manschette 6 besteht in einer bevorzugten Ausführung aus Kunststoff.The transducer-side contact surfaces of the heat-conducting elements 2 and 3 are from a common cuff 6 low thermal conductivity enclosed form-fitting. The cuff 6 causes a guide of the heat-conducting elements 2 and 3 such that their transducer-side contact surfaces for mounting the generator assembly congruent and plane-parallel and maintain this position permanently. The cuff 6 consists in a preferred embodiment of plastic.

In bevorzugter Ausführung der Generatoranordnung sind die Wärmeleitelemente 2 und 3 rotationssymmetrisch mit im Wesentlichen zylindrischer Grundform ausgebildet. Dabei ist die Manschette 6 als hohlzylindrischer Ring hülsenförmig ausgeführt.In a preferred embodiment of the generator arrangement, the heat conducting elements 2 and 3 formed rotationally symmetrical with substantially cylindrical basic shape. Here is the cuff 6 designed as a hollow cylindrical ring sleeve-shaped.

Mindestens das erste Wärmeleitelement 2 weist eine Auskragung 7 auf, auf der die Manschette 6 abgestützt ist. Vorteilhafterweise erleichtert diese Auskragung 7 den korrekten Sitz der Manschette 6 insbesondere bei der Montage der Generatoranordnung. Darüber hinaus bietet die Auskragung 7 eine zusätzliche Kontaktfläche zur Befestigung der Manschette 6. In einer bevorzugten Ausführung sind die Manschette 6 und das erste Wärmeleitelement 2 an ihren Kontaktflächen miteinander verklebt. Dadurch wird eine stabile axiale Führung des zweiten Wärmeleitelements 3 wärend der Montage der Generatoranordnung erreicht.At least the first heat-conducting element 2 has a projection 7 on, on the cuff 6 is supported. Advantageously, this projection facilitates 7 the correct fit of the cuff 6 in particular during assembly of the generator arrangement. In addition, the overhang provides 7 an additional contact surface for attaching the cuff 6 , In a preferred embodiment, the cuff is 6 and the first heat conducting element 2 glued together at their contact surfaces. As a result, a stable axial guidance of the second heat conducting element 3 achieved during assembly of the generator assembly.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Generatoranordnung ist der Raum zwischen den wandlerseitigen Kontaktflächen der Wärmeleitelemente 2 und 3 mit einem Füllstoff 8 geringer Wärmeleitfähigkeit zumindest teilweise ausgefüllt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs 8 vermeidet jede Verminderung der Energieausbeute. In einfachster Ausführungsform der Erfindung besteht dieser Füllstoff 8 aus Luft. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Schaum als Füllstoff 8 vorgesehen sein.In a further advantageous embodiment of the generator arrangement, the space between the converter-side contact surfaces of the heat-conducting elements 2 and 3 with a filler 8th low thermal conductivity at least partially filled. The low thermal conductivity of the filler 8th avoids any reduction in energy yield. In the simplest embodiment of the invention, this filler 8th out of air. In an alternative embodiment, a foam may be used as filler 8th be provided.

Nach einem bevorzugten Verfahren erfolgt die Montage der erfindungsgemäßen Generatoranordnung in den folgenden Schritten.According to a preferred method, the assembly of the generator assembly according to the invention takes place in the following steps.

In einem ersten Montageschritt wird das Wandlerelement 1 mit einem leitfähigen Epoxidharz 9 auf dem erste Wärmeleitelement 2 befestigt.In a first assembly step, the transducer element 1 with a conductive epoxy resin 9 on the first heat-conducting element 2 attached.

In einem zweiten Montageschritt wird die Manschette 6 an dem ersten Wärmeleitelement 2 befestigt.In a second assembly step, the cuff 6 on the first heat conducting element 2 attached.

In einem weiteren Montageschritt wird leitfähiges Epoxidharz 9 auf die freie Oberfläche des Wandlerelements 1 aufgetragen. In einem weiteren Montageschritt kann vorgesehen sein, einen als Schaum augebildeten Füllstoff 8 auf die freie Kontaktfläche des ersten Wärmeleitelements 2 aufzutragen.In another assembly step is conductive epoxy 9 on the free surface of the transducer element 1 applied. In a further assembly step can be provided, a foam formed as a filler 8th on the free contact surface of the first heat conducting element 2 apply.

In einem abschließenden Montageschritt wird das zweite Wärmeleitelement 3 in die Manschette 6 eingeführt und mit dem ersten Wärmeleitelement 2 und dem Wandlerelement 1 unter Druck zusammengefügt. Dabei wird eine dünne aber stabile Verklebung erreicht, wobei der Abstand der Kontaktflächen der Wärmeleitelemente 2 und 3 sich der tatsächlichen Bauhöhe des Wandlerelements 1 anpasst. Somit ist der Wärmefluß durch das Wandlerelement 1 unabhängig von der Toleranz dessen Bauhöhe. In diesem Zustand wird das Epoxidharz 9 thermisch ausgehärtet.In a final assembly step, the second heat-conducting element 3 in the cuff 6 introduced and with the first heat conducting element 2 and the transducer element 1 put together under pressure. In this case, a thin but stable bonding is achieved, wherein the distance of the contact surfaces of the heat conducting elements 2 and 3 the actual height of the transducer element 1 adapts. Thus, the heat flow through the transducer element 1 regardless of the tolerance of its height. In this state, the epoxy resin 9 thermally cured.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Wandlerelementtransducer element
2, 32, 3: Wärmeleitelementthermally conductive element
44: Wärmequelleheat source
55: Wärmesenkeheat sink
66: Manschettecuff
77: Auskragungprojection
88th: Füllstofffiller
99: Epoxidharzepoxy resin

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007056150 A1 [0003]

Claims

Thermoelectric generator arrangement for generating electrical energy from a temperature gradient between a heat source ( 4 ) and a heat sink ( 5 ) with at least one thermoelectric conversion element ( 1 ), which between a first and a second heat conducting element ( 2 . 3 ) is embedded, wherein the first heat conducting element ( 2 ) with the heat source ( 4 ) and the second heat conducting element ( 3 ) with the heat sink ( 5 ), characterized in that the at least one thermoelectric conversion element ( 1 ) with a thermally conductive adhesive with the two heat-conducting elements ( 2 . 3 ) is glued under pressure.

Thermoelectric generator arrangement according to claim 1, characterized in that the transducer-side contact surfaces of the heat conducting elements ( 2 . 3 ) are congruent.

Thermoelectric generator arrangement according to claim 2, characterized in that the converter-side contact surfaces of the heat-conducting elements ( 2 . 3 ) of a common cuff ( 6 ) low thermal conductivity are positively enclosed.

Thermoelectric generator arrangement according to claim 3, characterized in that at least one heat conducting element ( 2 . 3 ) a cantilever ( 7 ), on which the cuff ( 6 ) is supported.

Thermoelectric generator arrangement according to claim 4, characterized in that the cuff ( 6 ) with one of the heat-conducting elements ( 2 . 3 ) is positively connected.

Thermoelectric generator arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that the space between the transducer-side contact surfaces of the heat conducting elements ( 2 . 3 ) with a filler ( 8th ) low thermal conductivity is at least partially filled.