DE2940963A1

DE2940963A1 - Thermowandler

Info

Publication number: DE2940963A1
Application number: DE19792940963
Authority: DE
Inventors: Akira Ohmura; Noboru Yamamoto
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1978-10-14
Filing date: 1979-10-09
Publication date: 1980-04-24
Also published as: JPS5553470A; JPS5827674B2; GB2033659B; NL184398C; US4275259A; GB2033659A; NL184398B; DE2940963C2; NL7907540A

Description

Thermowandler

Die Erfindung bezieht sich auf Thermowandler mit wabenförmig aufgebauten Körpern, welche von einer großen Anzahl paralleler Kanäle, die durch dünne Wände voneinander getrennt sind, durchzogen werden.

Thermowandler, die den Seebeck-Effekt ausnützen, sind bekannt und werden teilweise in der Praxis als Stromquellen verwendet, z. B. bei militärischen Geräten, künstlichen Satelliten, an abgelegenen Einsatzorten und dgl. Derartige Thermowandler haben folgenden Aufbau. Ein Paar von P- und N-leitenden säulenförmigen thermoelektrischen Elementen 1, wie sie in der Figur 1 dargestellt sind, bilden die kleinste Einheit, und eine große Anzahl derartiger thermoelektrischer Elemente wird mit ersten Verbindungsplatten 2, die mit einem Wärmeabsorber in Berührung sind, und zweiten Verbindungsplatten 3, die mit einer Wärmesenke 6 in Verbindung sind, verbunden, wobei isolierende Platten 4 und 4' für eine galvanische Trennung der Verbindungsplatten 2 bzw. 3 untereinander sorgen.

Um jedoch den Wirkungsgrad derartiger thermoelektrischer Elemente in einem Thermowandler zu erhöhen, ist es erforderlich, die Temperaturdifferenz zwischen den ersten und zweiten Verbindungsplatten 2 bzw. 3 so groß wie möglich zu machen,weshalb es nötig ist, daß der Wärmeabsorber 5 und die Wärmesenke 6 einen hohen Wirkungsgrad haben und großflächig sind. Thermowandler üblicher Bauart werden folglich im Aufbau kompliziert und sehr groß und enthalten übereinander geschichtet unterschiedliche Materialien, nämlich den Wärmeabsorber 5, die galvanisch isolierende Platte 4, die ersten Verbindungsplatten 2, das Thermoelement 1, die zweiten Verbindungsplatten 3, die wiederum galvanisch isolie rende Platte 4' und die Wärmesenke 6, was zur Folge hat, daß der Wärmewiderstand einer derartigen Schichtkonstruktion sehr groß ist und es deshalb schwierig ist, bei vorgegebenen Abmessungen große thermoelektrische Kräfte zu erhalten.

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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, du>-ch Vermeidung der vorstehend aufgeführten Nachteile einen Thermowandler zu schaffen, mit dem trotz geringer Abmessungen große thermoelektrische Kräfte erhalten werden können, weshalb das erfindungsgemäße thermoelektrische Element aus einem Wabenkörper aufgebaut ist, der von einer großen Anzahl paralleler Kanäle durchzogen wird, die durch dünne Wände voneinander getrennt sind, wobei ein Teil der Kanäle einen Strömungsbereich für ein Hochtemperaturfluid und ein anderer Teil der Kanäle einen Strömungsbereich für ein Fluid mit niedriger Temperatur bildet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nun anhand der Zeichnung an einigen Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 im Querschnitt einen herkömmlichen Thermowandler in schematisierter Darstellung;

Fig. 2 eine perspektivische Schemaansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thermowandlers;

Fig.3A und 3B Schnitt- und perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thermowandlers; und

Fig.4A und 4B eine wiederum andere Ausführungsform in Schnittdarstellung und perspektivischer Ansicht.

Der in Fig. 2 gezeigte Thermowandler besitzt ein thermoelektrisches Element 8, dessen in Wabenstruktur aufgebauter Körper von einer großen Anzahl paralleler Kanäle durchzogen wird, die durch dünne Wände voneinander getrennt sind, wobei das Element aus Siliciden von Ubergangsmetallen, wie CrSi-, CoSi₂, FeSi₂, MnSl, MnSi . MoS.i₂; Telluriden, wie PbTe, AgSbTe, GßTe; Seleniden, wie PbSe, (WjTa)Se-; Antimoniden, wie ZnSb, CdSb; Legierungen aus Metallen der IV. Gruppe der periodischen Systems, wie Ge_Q 3Si₀ _η; Nitriden, wie CrN, ZrN; Carbiden, wie TiC, ZrC; Boriden, wie TiB-, TaB- aufgebaut ist; dem Mittelbereich des thermoelektrischen Elementes 8 wird über gasdichte Röhren 10a und 10b ein Hochtemperaturfluid in einem Bereich 11 zu- bzw. abgeführt, und eine Elektrode 12 für die

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Hochtemperaturseite befindet sich im wesentlichen in der Mitte dieses Hochtemperatur-Mittenbereichs 11.

Ferner ist ein Bereich 14 gebildet, durch den ein Fluid mit niedriger Temperatur 13, wie etwa Luft oder dgl., geleitet wird, wobei dieses Fluid diejenigen Kanäle des Wabenkörpers durchstreicht, die nicht im Bereich 11 vom Hochtemperaturfluid durchströmt werden, und im Bereich 14, in dem das Fluid 13 mit niedriger Temperatur strömt, befindet sich eine Elektrode 15 für die Tieftemperaturseite. An die Elektrode 12 der Hochtemperaturseite und die Elektrode 15 der Tieftemperaturseite sind die beiden Leistungsausgangsklemmen 16 und 17 angeschlossen. Aufgrund des Seebeck-Effektes an der Verbindungsstelle des thermoelektrischen Elementes 8 mit der Elektrode 12 der Hochtemperaturseite bzw. der Verbindungsstelle des elektrischen Elementes 8 und der Elektrode 15 auf der Tieftemperaturseite läßt sich die Thermospannung entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen auf Hoch- und Tieftemperaturseite nach Maßgabe der thermoelektrischen Eigenschaften des thermoelektrischen Elementes 8 abnehmen. Die Querschnittsform der parallelen Kanäle des thermoelektrischen Elementes kann von der dargestellten Viereckform abweichen und irgendwie polygonal, wie dreieckig, fünfeckig, sechseckig, aber auch kreisförmig oder oval und ähnlich sein.

Das thermoelektrische Element kann vom P-Typ oder N-Typ sein, und es muß der Bereich, durch den das Hochtemperaturfluid strömt, nicht notwendigerweise die Mittelzone sein, wie es auch nicht zwingend ist, daß die Elektrode der Tieftemperaturseite das Element außen umschließt.

Es ist in jedem Fall aber erforderlich, daß die das Hochtemperaturfluid 9 führenden Rohrleitungen 10a und 10b gasdicht schließend an das thermoelektrische Element herangeführt sind, so daß keinerlei Hochtemperaturfluid 9 den Strömungsweg dor Rohre 10a und 10b verlassen und mit dem Bereich 14, durch den das Tiefteirpcraturfluid 13 strömt, in Berührung kommen kann.

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Anhand der Figuren 3A und 3B wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein thermoelektrisches Element 18 vom P-Typ und ein thermoelektrisches Element 19 vom N-Typ, die jeweils aus Wabenstrukturkörpern mit einer großen Anzahl paralleler Kanäle bestehen, und aus den oben aufgeführten Materialien hergestellt sind, sind jeweils zu einem Paar zusammengefaßt, und die Endflächen der Trennwände dieses Paares von Wabenstrukturkörpern sind im Bereich 11, der vom Hochtemperaturf luid 9 im wesentlichen in der Mittelzone der Körper durchströmt ist, fest mit einer Elektrode 12 der Hochtemperaturseite verbunden. Die Trennwände des Bereichs 14, durch den das Fluid 13 mit niedriger Temperatur im Außenbereich der Wabenkörper des Paares strömt, sind mit einem hitzebeständigen, isolierenden Kleber 20 zusammengefügt, wodurch ein einheitlicher Körper aus einem thermoelektrischen P-Element 18 und einem thermoelektrischen N-Element 19 entstanden ist.

Wichtig ist hierbei, daß die Kanäle-durch den Kleber nicht zugesetzt sind und daß die Strömungsbereiche für das Hochtemperaturf luid und das Tieftemperaturfluid voneinander getrennt sind. Ein Paar dieser so miteinander verbundenen P- und N-Elemente ist mit mehreren gleichartigen Paaren derart zu einer Säule zusammengesetzt, daß abwechselnd ein P-Element 18 und ein N-Element 19 aufeinander folgen, wobei warmfeste isolierende Packungen 21 zwischen benachbarte N-Elemente und P-Elemente 18 eingesetzt sind und den Hochtemperaturfluidbereich 11 vom Tieftemperaturfluidbereich 14 trennen, so daß sämtliche Kanäle des Bereiches 11, in denen das Hochtemperaturfluid strömt, miteinander in Verbindung sind und sämtliche Kanäle des Bereiches 14, die vom Tieftemperaturfluid durchströmt werden und wodurch die beiden Strömungszonen vollkommen voneinander isoliert sind, und zwar durch den hitzebeständigen isolierenden Kleber 20 und die warmfesten isolierenden Packungen 21. Die ümfangsf lachen je eines Paares von thermoelektri-''' schem N-Element 19 und thermoelektrischem P-Element 18, die miteinander über eine warmfeste Packung 21 in Verbindung sind, sind mittels einer Elektrode 15 der Tieftemperaturseite verbunden, und zum Bereich 11, der vom Hochtemperaturfluid

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durchströmt wird, führt an beiden Endflächen der Säule die aus den Rohren 10a und 10b bestehende Hochtemperaturfluidleitung, über die das Hochtemperaturfluid 9 dem Mittelbereich zu- bzw. von ihm abströmt. Die Leistungsklemmen 16 und 17 befinden sich an den beiden Enden der aus den thermoelektrischen Elementen 18 und 19 zusammengesetzten Säule.

Beim Beispiel nach den Figuren 3A und 3B wird das Hochtemperaturfluid den Mittelbereichen der thermoelektrischen P- und N-Elemente zugeführt, während der Bereich, durch den das Tieftemperaturfluid hindurchströmt, der Randbereich der Elemente ist, doch ist eine derartige konzentrische Strömungsverteilung durchaus nicht zwingend, wie das Ausführungsbeispiel der Figuren 4A und 4B zeigt, bei welchem die unterschiedlichen Temperaturbereiche anders angeordnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel einer Thermosäule ist eine Seite der Enden des thermoelektrischen P-Elementes und des thermoelektrischen N-Elementes jeweils mit einer Elektrode der Hochtemperaturseite verbunden, und die Zone 11, in der das Hochtemperaturfluid 9 durch die wabenförmigen Kanäle strömt, befindet sich in der Umgebung der Verbindungsbereiche mit der Elektrode 12 für die Hochtemperaturseite, während der Strömungsbereich 14, in dem das Tieftemperaturfluid strömt, an den anderen Enden der thermoelektrischen Elemente vom P- und N-Typ ausgebildet ist. Wie die Figuren 4A und 4B zeigen, sind abwechselnd thermoelektrische P-Elemente und N-Elemente über hitzebeständige Isolierpackungen 21 miteinander verbunden, und im Tieftemperaturbereich sind diese Elemente in abwechselnder Folge durch die Elektrode 15 der Tieftemperaturseite zusammengeschlossen, wie dies ebenfalls aus den Figuren 4A und 4B hervorgeht.

Wenn durch eine Thermosäule mit dem oben beschriebenen Aufbau ein Verbrennungsabgas mit hoher Temperatur hindurchgeblasen wird, und zwar durch die das Hochtemperaturfluid führende Rohrleitung, und dieses heiße Gas in den Bereich 11 der thermoelektrischen Elemente gelangt, und durch die Kanäle der P- und N-Elemente strömt, während Luft oder Wasser bei Raumtemperatur

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oder dergleichen die Kanäle der Thermoelemente durchströmt, in denen niedrige Temperatur herrschen soll, dann findet Wärmeabsorption und Wärmeabgabe in ein- und demselben thermoelektrischen Element statt, so daß eine sehr große Temperaturdifferenz herrscht und damit eine große Thermo-EMK aufgrund des Seebeck-Effektes zwischen den Anschlußklemmen erhalten wird.

Die nachfolgenden Beispiele dienen der Erläuterung und wirken nicht einschränkend auf den Umfang der Erfindung.

Beispiel 1

Für die Herstellung eines thermoelektrischen P-Elementes werden 100 Gew.-Teile CrSi₂-Pulver mit einer mittleren Korngröße von 5 μ zusammen mit 10 Gew.-Teilön Vinylacetat-Copolymer (COPONYL PH-60A; Warenzeichen der Firma The Nippon Synthetic Chemical Industry Co., Ltd.) als organisches Bindemittel in einem Kneter miteinander vermischt. Diese Mischung wird dann zu einem Wabenkörper extrudiert (siehe beispielsweise US-PS 3 824 196), so daß der extrudierte Körper von Sechseck-Wabenkanälen durchzogen ist, was mit Hilfe eines Kolbenextruders geschieht, und der Wabenkörper wird dann getrocknet, anschließend in Scheiben von 5 mm Stärke geschnitten und in einem Vakuumofen bei einer Maximaltemperatur von 1 350 C eine Stunde lang gesintert. Nach dem Sintern werden die beiden Endflächen geschliffen und poliert, so daß eine Scheibe von 3 mm Stärke übrig bleibt. Die äußere Form des thermoelektrischen P-Elementes ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 34 mm, der Mittenabstand der Kanäle beträgt 1 mm,

und die Öffnungsfläche beträgt 70 % bei einem Gewicht des Elementes von 4 g.

Das thermoelektrische N-Element wird aus CoSi-Pulver auf dieselbe Art und Weise und unter denselben Bedingungen hergestellt, wie das P-Elcment. Das N-Element wiegt 5,4 g.

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— β —

Die so hergestellten P- und N-Elemente werden mit einer Elektrode der Hochtemperaturseite und mit einem hitzebeständigen isolierenden Kleber miteinander so verbunden, wie es die Figuren 3A und 3B erkennen lassen. Dazu wird eine Paste aus 5 Gew.-Teilen von im Handel erhältlichem Aluminiumsilikat-Glaspulver und 95 Gew.-Teilen CrSi.-Pulver und zusätzlich 30 Vol.-% Kiefernöl als Lösungsmittel in fünf Siebdruckgängen auf die eine Endfläche der Trennwände in einer Fläche mit dem Durchmesser von 5 mm in der Mitte auf eine Endfläche des thermoelektrischen P-Elementes als Elektrode der Hochtemperaturseite aufgebracht. Im fünfmaligen Siebdrucken wird auf die anderen Bereiche der Endfläche der Trennwand eine Paste aufgebracht, die durch Mischen von 20 Gew.-Teilen im Handel erhältlichen Aluminiumsilikat-Glaspulvers mit 80 Gew.-Teilen Al-O,-Pulver zur Bildung eines hitzebeständigen isolierenden Klebers unter Hinzufügen von zusätzlich 30 Vol.-% Kiefernöl als Lösungsmittel hergestellt wurde. Die mit diesen beiden Pasten beschichtete Endfläche des thermoelektrischen P-Elementes und die Endfläche des thermoelektrischen N-Elementes werden so aufeinander gelegt, daß die Kanäle der Elemente genau fluchten, durch ein Sintergestell zueinander fixiert und 5 min lang bei einer Maximaltemperatur von 1300 ⁰C in einem Vakuumofen einer Hitzebehandlung unterzogen. Auf diese Weise entsteht ein einheitlich zusammengefügter Körper aus thermoelektrischem P-Element und thermoelektrischem N-Element. Drei Gruppen derartiger zusammengefügter Körper werden hergestellt und mit hitzebeständigen isolierenden Packungen fest verbunden, die einen Innendurchmesser von 10 mm und einen Außendurchmesser von 14 mm haben und aus Tonerdefasern bestehen. Den Gesamtaufbau zeigt die Fig. 3A. Als Elektrode auf der Tieftemperaturseite werden Kupferstreifen an vier Stellen auf die Außenflächen der thermoelektrischen Elemente aufgelötet, und als äußere Anschlußklemmen auf der Tieftemperaturseite werden auf die jeweils äußersten thermoelektrischen Elemente Anschlußelektroden aufgelötet.

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ORIGINAL INSPECTED

Leitungsrohre mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einem Außendurchmesser von 14 mm, durch die das Hochtemperaturfluid strömen soll, werden anschließend gasdicht mit dem Bereich der Stirnflächen verbunden, durch den das Hochtemperaturfluid fließen soll, wobei dieser Bereich die Elektrode der Hochtemperaturseite enthält, und von einer Gasflamme wird dann das Abgas in die Kanäle im Strömungsbereich für das Hochtemperaturfluid zugeleitet. Die Kanäle im Bereich für das Tieftemperaturfluid w<
strömt.

fluid werden dagegen von einem Luftstrom mit 0,3 m /min ange-

Für ein Vergleichsbeispiel werden bei Verwendung von CrSials thermoelektrisches P-Element und CoSi als thermoelektrisches N-Element diese Materialien in Säulenelemente durch Kaltpreßverfahren geformt und unter denselben Bedingungen,wie sie für die beschriebenen Elemente des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels verwendet wurden, gesintert, um übliche, säulenförmige Thermoelemente mit den Abmessungen 3 χ 9 χ 30 mm zu erhalten, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind, bei denen die thermoelektrischen P-Elemente 4 g und die thermoelektrischen N-Elemente 5,4 g wiegen.

Jeweils drei P-Elemente und drei N-Elemente werden abwechselnd hintereinander angeordnet und mittels einem Kupferstück als Elektrode auf der Tieftemperaturseite und einem hitzebeständigen Stahlstück als Elektrode auf der Hochtemperaturseite miteinander verbunden, während an die am weitesten außen liegenden thermoelektrischen Elemente die Ausgangsklemmen angelötet werden. Die beiden Verbindungsabschnitte werden dann noch mit einer Wärmesenke und einem Hitzeabsorber in Verbindung gebracht, die aus Aluminium bestehen, wobei noch elektrisch isolierende Platten eingefügt werden. Auf diese Apparatur wird das Abgas eines Gasbrenners geleitet, und zwar auf den Wärmeabsorber auf der Hochtemperaturseite, während die Wärmesenke auf der Tieftemperaturseite von einem Luftstrom mit 0,3 m /min umspült wird. Die thermische EMK wurde bei beiden Vergleichselementen gemessen, indem die Temperatur auf der Hochtemperaturseite auf 1000 ⁰C eingestellt wurde.

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Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle 1 wiedergegeben,

Tabelle 1

	Thermowandler gemäß der Erfindung	konventioneller Thermowandler
3ewicht eines Paares von P- und i-Elementen (g) )berflache pro Element, die vom rieftemperaturfluid umströmt *^lrd (cm²) Oberfläche des Wärmeverteilers (cm²)	9,4 43	9,4 25
Temperatur des Elektrodenbereichs auf der Hochtemperatürseite /O_c« Temperatur des Elektrodenbereichs auf der Niedrigtemperatur seite (⁰C) Temperaturdifferenz ( C)	1 000 80 920	1 000 240 760
Thermo-EMK je Paar von P- und N-Elementen (mV) maximale elektrische Lei stung je Paar P- und N-EIe- raente (mW)	148 438	105 332

Beispiel 2

Durch Einsatz von P- und N-Elementen, welche durch Dotieren von As und B in Legierungen der IV. Gruppe Ge_Q 3Si_{0 7} und durch Dotieren von FeSi- mittels Mn bzw. Co erhalten werden, werden Thermowandler von der Form hergestellt, wie sie beim Beispiel 1 beschrieben wurden, und zwar ein Thermowandler nach den Merkmalen gemäß der Erfindung und ein Thermowandler mit säulenförmigen Elementen in herkömmlicher Bauweise, und in einem Vergleich einander gegenübergestellt.

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- ¹M -

Der Hochtemperaturseite wird das Abgas eines Gasbrenners und der Tieftemperaturseite ein Luftstrom von 0,3 m /min zugeführt, wobei die Ergebnisse der durchgeführten Messungen in der nachfolgenden Tabelle 2 zusammengestellt sind.

Tabelle 2

	^GeO,3^SiO,7	B	FeSi₂	A	B
Temperatur des Elektrodenbereichs auf der Hochtemperaturseite ,o,,. Temperatur des Elektrodenbereichs auf der Niedrigtemperatur seite (⁰C) Temperaturdifferenz ( C)	Ά	850 230 620 •	900 80 820	900 250 650
Thermo-EMK je Paar von P- und N-Elementen (mV) maximale elektrische Lei stung je Paar P- und N-EIe- mente (mW)	850 100 750	2Ο7 257	360 262	286 197
257 365

Bemerkung: Λ : Thermowandler in erfindungsgemäßer Ausführung B : Herkömmlicher Thermowandler

Die Tabellen 1 und 2 machen deutlich, daß mit dem Thermowandler mit thermoelektrischen Elementen in Wabenstruktur gemäß der Erfindung wesentlich höhere Temperaturdifferenzen im Vergleich zum herkömmlichen Wandler ausgenützt werden können, so daß sehr viel größere thermische EMKe erhalten werden.

Wie bereits dargelegt, dienen beim Thermowandler, der thermoelektrische Elemente mit Wabenstruktur bei einer großen AnzcUil paralleler Kanäle verwendet, die thermoelektrischen Elemente selbst dazu, die Wärmeabsorption und auch die Wärmeabgabe durchzuführen, so daß der Theriiiowandler die Möglichkeit, besitzt-, bei geringer Baugröße sehr große Wärmeivtenuen auszutauschen, und der Wärmestrom-Kiderstand wird

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ORIGINAL INSPECTED

nicht durch Ubereinanderanordnen verschiedener Materialien erhöht, wie dies bei herkömmlichen Thermowandlern der Fall ist, so daß man auf einfache Weise sehr große Temperaturdifferenzen erhält. Daraus folgt, daß sich große Werte der Thermo-EMK und der thermoelektrischen Leistung erzielen lassen, und daß Abgaswärme in einem thermoelektrischen Wandler mit erfindungsgemäßer Gestaltung sehr wirkungsvoll ausgenutzt werden kann.

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Leerseite

Claims

NGK INSULATORS, LTD.,
Nagoya / Japan

Thermowandler

PATENTANSPRÜCHE

Thermowandler, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoelektrische Element (8) Wabenstruktur mit einer großen Anzahl sich durch das thermoelektrische Element (8) hindurchziehender paralleler Kanäle (7) hat, die durch dünne Wände voneinander getrennt sind, daß ein Teil der parallelen Kanäle einen Bereich (11) für den Strom eines Hochtemperaturfluids (9) und ein anderer Teil dor parallelen Kanäle einen Bereich (14) für den Strom eines Tieftemperaturfluids (13) darstellt.
2. Thermowandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode für die Hochtemperaturseite (12) im Strömungsbereich (11) für das Kochtemperaturfluid (9) und eine Elektrode für die Tieftemperaturseite (15) im Strömungsbereich (14) für das Tieftemperaturfluid (13) vorgesehen sind.
3. Thermowandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß thermoelektrische P-Elemente (18) und thermoelektrische N-Elemente (19) mit Wabenstruktur und Strömungsbereichen für Hochtemperaturfluid und Tieftemperaturfluid in abwechselnder Folge in crößerer Anzahl elektrisch init— einander verbunden sind.

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ORIGINAL INSPECTED