DE2940963C2 - Thermoelektrischer Wandler - Google Patents
Thermoelektrischer WandlerInfo
- Publication number
- DE2940963C2 DE2940963C2 DE2940963A DE2940963A DE2940963C2 DE 2940963 C2 DE2940963 C2 DE 2940963C2 DE 2940963 A DE2940963 A DE 2940963A DE 2940963 A DE2940963 A DE 2940963A DE 2940963 C2 DE2940963 C2 DE 2940963C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- thermoelectric
- temperature
- legs
- temperature fluid
- low
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 47
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 description 46
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 5
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 5
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 5
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 5
- -1 CrSi 2 Chemical class 0.000 description 4
- 230000005678 Seebeck effect Effects 0.000 description 4
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 description 4
- 229910019001 CoSi Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910005329 FeSi 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 description 3
- 229910021359 Chromium(II) silicide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910019974 CrSi Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017028 MnSi Inorganic materials 0.000 description 2
- YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] Chemical compound [O--].[Al+3].[Al+3].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] YKTSYUJCYHOUJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000010665 pine oil Substances 0.000 description 2
- 238000007650 screen-printing Methods 0.000 description 2
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 2
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 2
- YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N (2,5-dioxopyrrolidin-1-yl) 4-pyren-1-ylbutanoate Chemical compound C=1C=C(C2=C34)C=CC3=CC=CC4=CC=C2C=1CCCC(=O)ON1C(=O)CCC1=O YBNMDCCMCLUHBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910005900 GeTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910016006 MoSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 101100400378 Mus musculus Marveld2 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910002665 PbTe Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910007657 ZnSb Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052785 arsenic Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229920001577 copolymer Polymers 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 150000003346 selenoethers Chemical class 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910021332 silicide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N tellanylidenelead Chemical compound [Pb]=[Te] OCGWQDWYSQAFTO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 description 1
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
Landscapes
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
- Ceramic Products (AREA)
Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermoelektrischen Wandler mit einem Schenkel aus thermoelektri-
schem Material, der von parallelen, durch dünne Wände voneinander getrennten Kanälen durchzogen ist, von
denen ein Teil von einem Hochtemperaturfluid und ein anderer Teil von einem Tieftemperaturfluid durchflossen sind, bei dem ein Kontaktstück für die Hochtempe-
raturseite im Strömungsbereich für das Hochtemperaturfluid und ein Kontaktstück für die Tieftemperaturseite im Strömungsbereich für das Tieftemperaturfluid
vorgesehen sind.
Thermoelektrische Wandler, die den Seebeck-Effekt so
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 thermoelektrische Wandler haben folgenden Aufbau. Ein Paar von P- und
N-leitenden säulenförmigen thermoelcktrischen Schenkeln 1, wie sie in der Fig. 1 dargestellt sind, bilden die
kleinste Einheit, und eine große Anzahl derartiger thermoelektrischer Schenkel wird mit ersten Kontaktbrücken 2, die mit einem Wärmeabsorber 5 in
Berührung sind, und zweiten Kontaktbrücken 3, die mit einer Wärmesenke 6 in Verbindung sind, verbunden,
wobei isolierende Platten 4 und 4' für eine galvanische Trennung der Kontaktbrücken 2 bzw. 3 untereinander
sorgen.
Um jedoch den Wirkungsgrad derartiger thermoelektrischer Elemente in einem thermoelektrischen Wandler
zu erhöhen, ist es erforderlich, die Temperaturdifferenz
zwischen den ersten und zweiten Kontaktbrücken 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.
Thermoelektrische Wandler 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 Kont&ktbrükken 2, die Schenkel 1, die zweiten Kontaktbrücken 3, die
wiederum galvanisch isolierende 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.
Aus der US-PS 33 56 539 ist bereits ein thermoelektrischer Wandler der eingangs genannten Art bekannt, der
aus einem oder mehreren Thermoelementen in Reihenschaltung besteht, wobei die Thermoelementschenkel mit parallelen, durch dünne Wände voneinander getrennten Kanälen versehen sind, von denen ein
Teil von einem Hochtemperaturfluid und ein anderer Teil von einem Tieftemperaturfluid durchflossen werden. Diese bekannte Konstruktion erfordert jedoch eine
vergleichsweise sehr große Baulänge der Thermoelementschenkel, um eine große Temperaturdifferenz
längs dieser Schenkel aufrecht erhalten zu können.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, einen thermoelektrischen Wandler der
eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem trotz geringer Abmessungen der Thermoelementschenkel
längs diesen eine große Temperaturdifferenz aufrecht erhalten werden kann und der daher einen guten
Wirkungsgrad besitzt
Ausgehend von dem thermoelektrischen Wandler der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst daß eine Vielzahl von parallelen,
durch dünne Wände vonein2tider ^»trennten Kanälen
durch eine Wabenstruktur des thermoelektrischen Materials gebildet ist, und daß ein Teil nebeneinander
angeordneter Kanäle einen Dereich für den Strom des Hochtemperaturfluids und ein anderer Teil nebeneinander angeordneter paralleler Kanäle einen Bereich für
den Strom des Tief temperaturfluids darstellt
Durch Anwendung der Wabenstruktur läßt sich ein thermoelektrischer Wandler in sehr gedrängter und
kompakter Bauweise realisieren, wobei dennoch eine große Temperaturdifferenz entlang des thermoelektrischen Schenkels aufrecht erhalten wird und damit eine
große Thermo-EMK aufgrund des Seebeck-Effektes zwischen den Anschlüssen erhalten wird.
Die Erfindung kann schließlich dadurch noch eine vorteilhafte Weiterbildung erfahren, daß thermoelektrische P-Schenkel und thermoelektrische N-Schenkel mit
Wabenstruktur und Strömungsbereichen für das Hochtemperaturfluid und das Tieftemperaturfluid in abwechselnder Folge in größerer Anzahl elektrisch miteinander
verbunden sind.
Durch diese letztere Ausffihrungsform läßt sich die
gesamte Kapazität des thermoelektrischen Wandlers bei sehr gutem Wirkungsgrad erhöhen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 im Querschnitt einen herkömmlichen thermoelektrischen Wandler in schematisierter Darstellung;
ersten Ausfflhrungsbeispfels des thermoelektrischen
Wandlers nach der Erfindung;
F i g, 3A und 3B Schnitt- und perspektivische Ansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des thermoelektrischen
Wandlers nach der Erfindung und
F i g, 4A und 4B ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel
in Schnittdarstellung und perepektivischer Ansicht
Der in Fig,2 gezeigte thermoelektrische Wandler
besitzt einen thermoelektrischen Schenkel 8, dessen in Wabenstruktur aufgebauter K5iper von einer großen
Anzahl paralleler Kanäle durchzogen wird, die durch dünne Wände voneinander getrennt sind, wobei der
Schenkel aus Siliciden von ObergangsmetaJlen, wie CrSi2, CoSi2, FeSi2, MnSi, MnSi2, MoSi2; Tellunden, wie
PbTe, AgSbTe, GeTe; Seleniden, wie PbSe, (W, Ta)Se2;
Antimoniden, wie ZnSb, CdSb; Legierungen aus Metallen 4er IV. Gruppe des periodischen Systems, wie
GeeuSiw; Nitriden, wie CrN, ZrN; Carbiden, wie TiC,
ZrC; Boriden, wie TiB2, TaB2 besteht; dem Mittelbereich
des thennoelektrischen Schenkels 8 wird Ober gasdichte
Röhren 10a und 106 ein Hochtemperaturfluid in einem Bereich 11 zu- bzw. abgeführt, und ein Kontaktstück 12
für die Hochtemperaturseite befindet sich im wesentlichen in der Mitte dieses Hochtemperatur-Mittenbereichsll.
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 ein Kontaktstück 15 für die Tieftemperaturseite. An das Kontaktstück 12 der
Hochtemperaturseite und das Kontaktstück 15 der Tieftemperaturseite sind die beiden Leistungsausgangsanschlüsse
16 und 17 angeschlossen. Aufgrund des Seebeck-Effektes an der Verbindungsstelle des thermoelektrischen
Schenkels 8 mit dem Kontaktstück 12 der Hochtemperaturseite bzw. der Verbindungsstelle
des thermoelektrischen Schenkels 8 und dem Kontaktstück 15 auf der Tieftemperaturseite läßt sich die
Thermospannung entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen den Verbindungsstellen auf Hoch- und
Tieftemperaturseite nach Maßgabe der thermoelektrisehen
Eigenschaften des thermoelekHschen Schenkels 8 abnehmen. Die Querschnittsform der parallelen
Kanäle des thermoelektrischen Schenkels kann von der dargestellten Viereckform abweichen und irgendwie
polygonal, wie dreieckig, fünfeckig, sechseckig, aber auch kreisförmig oder oval und ähnliches sein.
Der thermoelektrische Schenkel 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
das Kontaktstück der Tieftemperaturseite den Schenkel außen umschließt
Es ist in jedem Fall aber erforderlich, daß die das Hochtemperaturfluid 9 führenden Rohrleitungen 10a
und 10ύ gasdicht schließend an den thermoelektrischen Schenkel herangeführt sind, so daß keinerlei Hochtemperaturfluid
9 den Strömungsweg der Rohre 10a und tob verlassen und mit dem Bereich 14, durch den das
Tieftemperaturfluid 13 strömt, in Berührung kommen kann.
Anhand der F i g. 3A und 3B wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben. Ein thermoelektrischer
Schenkel 18 vom KTyp und ein thermoelektrischer
Schenkel 19 vom N-Typ, die jeweils aus
Wabenstrukturkörpern mit einer großen Anzahl paralleler Kanals 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 Hochtemperaturfluid 9 im
wesentlichen in der Mittelzone der Körper durchströmt ist, fest mit einem Kontaktstück 12 der Hochtemperaturseite
verbunden. Die Trennwände des P^reichs 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 thennoelektrischen P-Schenkel 18 und einem thennoelektrischen N-Schenkel 19 entstanden ist
Wichtig ist hierbei, daß die Kanäle durch den Kleber
nicht zugesetzt sind und daß die Strömungsbereiche für das Hochtemperaturfluid und das Tieftemperaturfluid
voneinander getrennt sind Ein Paar dieser so miteinander verbundenen P- und r.-'ichenkel ist mit
mehreren gleichartigen Paaren derart zi einer Säule
zusammengesetzt, daß abwechselnd ein P-Schenkel 18 und ein N-Schenkel 19 aufeinander folgen, wobei
warmfeste isolierende Packungen 21 zwischen benachbarte N schenkel 19 und P-Schenkel 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 sincr 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 Umfangsflächen je eines Paares von thermoelektrischem
N-Schenkel 19 und thermoelektrischem P-Schenkel 18, die miteinander über eine warmfeste Packung 21
in Verbindung sind, sind mittels einem Kontaktstuck 15 der Tieftemperaturseite verbunden, und zum Bereich 11,
der vom Hochtemperaturfluid durchströmt wird, führt an beiden Endflächen der Säule die aus den Rohren 10a
und 106 bestehende Hochtemperaturfluidleitung, über die das Hochtemperaiurfluid 9 dem Mittelbereich zu-
bzw. von ihm abströmt Die Leistungsausgangsanschlüsse 16 und 17 befinden sich an den beiden Enden der aus
den thermoelektrischen Schenkeln 18 und 19 zusammengesetzten Säule.
Beim Beispiel nach den Fig.3A und 3B wird das Hochtemperaturfluid den Mittelbereichen der thermoelektrischen
P- und N-Schenkel zugeführt, während der Bereich, durch den das Tieftemperaturfluid hindur^hströmt
der Randbereich der Schenkel ist doch ist eine derarl'gi; konzentrische Strömungsverteilung durchaus
nicht zwingend, wie das Ausführungsbeispiel der F i g. 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-Schenkels und des thermoelektrischen N-Schenkels jeweils mit
einem Kontaktstück 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 dem
Kontaktstück 12 für die Hochtemperaturseite, während der Strömungsbereich 14, in dem das Tieftemperaturfluid
strömt an den anderen Enden der thermoelektrischen Schenkel vom P- und N-Typ ausgebildet ist. Wie
die F i g. 4A und 4B zeigen, sind abwechselnd thermoelektrische P-Schenkel und N-Schenkel über hitzebeständige Isolierpackungen 21 miteinander verbunden, und
im Tieftemperaturbereich sind diese Schenkel in abwechselnder Folge durch das Kontaktstück 15 der
Tieftemperaturseite zusammengeschlossen, wie dies ebenfalls aus den F i g. 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 thermoeiektrischen Schenkel gelangt, und durch die
Kanäle der P- und N-Sc!ienkel strömt, während Luft oder Wasser bei Raumtemperatur oder dergleichen die
Kanäle der thermoeiektrischen Schenkel durchströmt, in denen niedrige Temperatur herrschen soll, dann
findet Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe in ein- und demselben thermoeiekfischen Schenkel statt, so daß
eine sehr große Temperaturdifferenz herrscht und damit eine große Thermo-EMK aufgrund des Seebeck-Effektes
zwischen den Anschlüssen erhalten wird.
Die nachfolgenden Beispiele dienen der v-jiteren
Erläuterung.
Für die Herstellung eines thermoeiektrischen P-Schenke's werden 100 Gew.-Teile CrSi2-Pulver mit
einer mittleren Korngröße von 5 μιη zusammen mit 10
Gew.-Teilen Vinylacetat-Copolymer als organisches Bindemittel in einem Kneter miteinander vermischt.
Diese Mischung wird dann zu einem Wabenkörper extrudiert, so daß der extrudierte Körper von
Sechseck-Wabenkanälen durchzogen ist, was mit Hilfe eines Kolbenextruder geschieht, und der Wabenkörper
wird dann getrocknet, anschließend in Scheiben von 5 mm Stärke geschnitten und in einem Vakuumofen bei
einer Maximaltemperatur von 13500C 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
thermoeiektrischen P-Schenkels ist kreisförmig mit einem Durchmesser von 34 mm, der Mittenabstand der
Kanäle beträgt 1 mm, die Dicke der Trennwände zwischen den Kanälen ist 0,3 mm, und die öffnungsfläche
beträgt 700O bei einem Gewicht des Schenkels von
♦g-
Der thermoelektrische N-Schenkel wird aus CoSi-Pulver auf dieselbe Art und Weise und unter denselben
Bedingungen hergestellt, wie der P-Schenkel. Der N-Schenkel wiegt 5,4 g.
Die so hergestellten P- und N-Schenkel werden mit «inem Kontaktstück der Hochtemperaturseite und mit
einem hitzebeständigen isolierenden Kleber miteinan der so verbunden, wie es die F i g. 3A und 3B erkennen :
lassen. Dazu wird eine Paste aus 5 Gew.-Teilen von im Handel erhältlichen Aluminiumsilikat-Glaspulver und
95 Gew.-Teilen CrSir Pulver und zusätzlich 30 Vol.-%
Kiefernöl als Lösungsmittel in fünf Siebdruckgängen auf die eir.e Stirnfläche der Trennwände in einer Fläche mit ί
dem Durchmesser von 5 mm in der Mitte auf eine Stirnfläche des thermoeiektrischen P-Schenkels als
Kontaktstück der Hochtemperaturseite aufgebracht In fünfmaligen Siebdrucken wird auf die anderen Bereiche
isolierenden Klebers unter Hinzufügen von zusätzlich 30 Vol.-% Kiefernöl als Lösungsmittel hergestellt
wurde. Die mit diesen beiden Pasten bescnichtete Stirnfläche des thermoeiektrischen P-Schenkels und die
Stirnfläche des thermoeiektrischen N-Schenkels wer den so aufeinander gelegt, daß die Kanäle der Schenkel
genau fluchten, durch ein Sintergestell zueinander fixiert und 5 min lang bei einer Maximaltemperatur von
1300°C in einem Vakuumofen einer Hitzebehandlung
κι unterzogen. Auf diese Weise entsteht ein einheitlich
zusammengefügter Körper aus thermoelektrischem P-Schenkel und thernv elektrischem N-Schenkel. Drei
Gruppen derartiger zusammengefügter Körper werden hergestellt und mit hitzebeständigen isolierenden
ι"' 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 Kontaktstück auf der
Tieftemperaturseite werden Kupierstreifen an vier -" Stellen auf die Außenflächen der thermoeiektrischen
Schenkel aufgelötet, und als äußere Anschlüsse auf der Tieftemperaturseite werden auf die jeweils äußersten
thermoeiektrischen Schenkel Anschlußkontakte aufgelötet.
Leitungsrohre mit einem Innendurchmesser von IO mm und einem Außendurchmesser von 14 mm, durcl·
die das Hochtemperaturfluid strömen soll, werden anschließenu gasdicht mit dem Bereich der Stirnflächen
verbunden, durch den das Hochtemperaturfluid fließen '" soll, wobei dieser Bereich das Kontaktstück 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 werden
i") dagegen von einem Luftstrom mit 03 mVmin angeströmt.
Für ein Vergleichsbeispiel werden bei Verwendung von CrSi2 als thermoelektrischer P-Schenkel und CoSi
als thermoelektrischer N-Schenkel diese Materialien in <> Säulen durch Kaltprcßverfahren geformt und unter
denselben Bedingungen, wie sie für die beschriebenen Schenkel des Ausführungsbeispiels verwendet wurden,
gesintert, um übliche, säulenförmige Thermoelementschenkel mit den Abmessungen 3x9x30 mm zu
■' erhalten, wie sie in der F i g. 1 dargestellt sind, bei denen
die thermoeiektrischen P-Schenkel 4 g und die thermoeiektrischen N-Schenkel 5,4 g wiegen.
Jeweils drei P-Schenkel und drei N-Schenkel werden abwechselnd hintereinander angeordnet und mittels
" einem Kupferstück als Kontaktstück auf der Tieftempe raturseite und einem hitzebeständigen Stahlstück als
Kontaktstück auf der Hochtemperaturseite miteinander verbunden, während an die am weitesten außen
liegenden thermoeiektrischen Schenkel die Ausgangskontakte angelötet werden. Die beiden Verbindungsab
schnitte 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 Wäi-meabsorber auf der Hochtemperaturseite, während
die Wärmesenke auf der Tieftemperaturseite von einem Luftstrom mit 03 mVmin umspült wird. Die thermische
EMK wurde bei beiden Vergleichselementen gemessen,
der Stirnfläche der Trennwand eine Paste aufgebracht, 65 indem die Temperatur auf der Hochtemperaturseite auf
(fie durch Mischen von 20 Gew.-Teüen im Handel 1000° C eingestellt wurde.
erhältlichen AIuminiumsilikat-GIaspulvers mit 80 Gew.' Das Ergebnis ist in der nachfolgenden Tabelle 1
Teilen AkCVPuIver zur Bildung eines hitzebeständigen wiedergegeben.
Thermo· elektrischer Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung
Konventioneller
thermoelektrischer
Wandler
Gewicht eines Paares von P- und N-Schenkeln (g)
Oberfläche pro Schenkel, die vom Tieftemperaturfluid umströmt wird (cm2)
Oberfläche des Wärmeverteilers (cm2)
Temperatur des Kontaktstückbereichs auf der Hochtemperaturseite (0C)
Temperatur des Kontaktstückbereichs auf der Niedrigtemperaturseite (° C)
TemperaturdifTerenz (° C)
Thermo-EMK je Paar von P- und N-Schenkeln (mV)
Maximale elektrische Leistung je Paar P- und N-Schenkeln (mW)
| 9,4 | 9,4 |
| 43 | |
| - | 25 |
| 1000 | 1000 |
| 80 | 240 |
| 920 | 760 |
| 148 | 105 |
438
332
Durch Einsatz von P- und N-Schenkeln, welche durch Dotieren von As und B in Legierungen der IV. Gruppe
GeojSio.7 und durch Dotieren von FeSi2 mittels Mn bzw.
Co erhalten werden, werden thermoelektrische Wandler von der Form hergestellt, wie sie beim Beispiel 1
beschrieben wurden, und zwar ein thermoelektrischer Wandler nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung
30
35 und ein thermoelektrischer Wandler mit säulenförmigen Schenkeln in herkömmlicher Bauweise, und in einem
Vergleich einander gegenübergestellt.
Der Hochtemperaturseite wird das Abgas eines Gasbrenners und der Tieftemperaturseite ein Luftstrom
von 0,3 mVmin zugeführt, wobei die Ergebnisse der durchgeführten Messungen in der nachfolgenden
Tabelle 2 zusammengestellt sind.
FeSi2
A
A
Temperatur des Kontaktstückbereichs auf der Hochtemperaturs^ite (° C)
Temperatur des Kontaktstückbereichs auf der Niedrigtemperaturseite (° C)
TemperaturdifTerenz (° C)
Thermo-EMK je Paar von P- und N-Schenkeln (mV)
Maximale elektrische Leistung je Paar P- und N-Schenkeln (mW)
Bemerkung:
| 850 | 850 | 900 | 900 |
| 100 | 230 | 80 | 250 |
| 750 | 620 | 820 | 650 |
| 257 | 207 | 360 | 286 |
| 365 | 257 | 262 | 197 |
Die Tabellen 1 und 2 machen deutlich, daß mit dem
thermoelektrischen Wandler mit thermoelektrischen
Schenkeln in Wabenstruktur 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 thermoelektrischen Wandler, der thermoelektrische Schenkel mit
Wabenstruktur bei einer großen Anzahl paralleler Kanäle verwendet, die thermoelektrischen Schenkel
selbst dazu, die Wärmeaufnahme und auch die Wärmeabgabe durchzuführen, so daß der thermoelek-
trische Wandler die Möglichkeit besitzt, bei geringer Baugröße sehr große Wärmemengen auszutauschen,
und der Wärmestrom-Widerstand wird nicht durch Übereinanderanordnen verschiedener Materialien erhöht, wie dies bei herkömmlichen thermoelektrischen
Wandlern der Fall ist, so daß man auf einfache Weise
10
sehr große Temperaturdifferenzen erhält Daraus folgt, daß sich große Werte der Thermo-EMK und der
thermoelektrischen Leistung erzielen lassen, und daß Abgaswärme in einem solchen thermoelektrischen
Wandler sehr wirkungsvoll ausgenutzt werden kann.
Claims (2)
- Patentansprüche:1, Thennoelektrischer Wandler mit einem Schenkel aus thermoelektrischem Material, der von s parallelen, durch dünne Wände voneinander getrennten Kanälen durchzogen ist, von denen ein Teil von einem Hochtemperaturfluid und ein anderer Teil von einem Tieftemperaturfluid durchflossen sind, bei dem ein Kontaktstück für die Hochtemperaturseite im Strömungsbereich für das Hochtemperaturfluid und ein Kontaktstack für die Tieftemperaturseite im Strömungsbereich für das Tieftemperaturfluid vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von parallelen, durch is dünne Wände voneinander getrennten Kanälen (7) durch eine Wabenstruktur des thermoelektrischen Materials gebildet ist, und daß ein Teil nebeneinander angeordneter Kanäle einen Bereich (11) für den Strom desIBochtemperaturfluids (9) und ein anderer Teil nebeneinander angeordneter paralleler Kanäle einen Bereich (14) für den Strom des Tieftemperaturfluids (13) darstellt
- 2. Thennoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß thermoelektrische P-Schenkel (18) und thermoelektrische N-Schenkel (19) mit Wabenstruktur und Strömungsbereichen für das Hochtemperaturfluid und das Tieftemperaturfluid in abwechselnder Folge in größerer Anzahl elektrisch miteinander verbunden sind.
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP53126423A JPS5827674B2 (ja) | 1978-10-14 | 1978-10-14 | 熱電発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2940963A1 DE2940963A1 (de) | 1980-04-24 |
| DE2940963C2 true DE2940963C2 (de) | 1983-05-19 |
Family
ID=14934801
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE2940963A Expired DE2940963C2 (de) | 1978-10-14 | 1979-10-09 | Thermoelektrischer Wandler |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4275259A (de) |
| JP (1) | JPS5827674B2 (de) |
| DE (1) | DE2940963C2 (de) |
| GB (1) | GB2033659B (de) |
| NL (1) | NL184398C (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102015213294A1 (de) * | 2015-07-15 | 2017-01-19 | Mahle International Gmbh | Thermoelektrischer Wärmetauscher |
Families Citing this family (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2140206A (en) * | 1983-05-20 | 1984-11-21 | British Petroleum Co Plc | Thermoelectric power generator associated with oil pipelines |
| JPS61174780A (ja) * | 1985-01-30 | 1986-08-06 | Uchida Mototoshi | 熱電発電装置 |
| JPH0350368Y2 (de) * | 1985-06-26 | 1991-10-28 | ||
| JP3424180B2 (ja) * | 1993-02-23 | 2003-07-07 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | Ｐ型熱発電材料 |
| US5474619A (en) * | 1994-05-04 | 1995-12-12 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Thin film high temperature silicide thermocouples |
| JPH09199765A (ja) | 1995-11-13 | 1997-07-31 | Ngk Insulators Ltd | 熱電気変換モジュールおよびその製造方法 |
| US6150601A (en) * | 1998-04-28 | 2000-11-21 | Halliburton Energy Services, Inc. | Method and apparatus for generating electric power downhole |
| JP2000236117A (ja) | 1999-02-16 | 2000-08-29 | Ngk Insulators Ltd | 電気素子 |
| US6385976B1 (en) * | 2000-09-08 | 2002-05-14 | Ferrotec (Usa) Corporation | Thermoelectric module with integrated heat exchanger and method of use |
| JP4305252B2 (ja) * | 2004-04-02 | 2009-07-29 | 株式会社デンソー | 排熱回収装置 |
| JP4785476B2 (ja) * | 2005-09-20 | 2011-10-05 | 大阪瓦斯株式会社 | 熱電発電構造及び発電機能付き熱交換器 |
| US20110088739A1 (en) * | 2009-10-20 | 2011-04-21 | Lockheed Martin Corporation | High efficiency thermoelectric converter |
| US8309044B2 (en) * | 2010-06-21 | 2012-11-13 | Corning Incorporated | Exhaust gas treatment system including a thermoelectric generator |
| DE102010050395A1 (de) * | 2010-11-03 | 2012-05-03 | Emitec Gesellschaft Für Emissionstechnologie Mbh | Thermoelektrisches Modul für einen thermoelektrischen Generator eines Fahrzeugs |
| US9540982B2 (en) | 2011-03-18 | 2017-01-10 | Basf Se | Exhaust train having an integrated thermoelectric generator |
| JP5783634B2 (ja) * | 2012-03-05 | 2015-09-24 | カヤバ工業株式会社 | 緩衝器 |
| WO2013140845A1 (ja) * | 2012-03-22 | 2013-09-26 | 日本碍子株式会社 | ヒーター |
| JP6217765B2 (ja) * | 2016-01-25 | 2017-10-25 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2019165137A (ja) * | 2018-03-20 | 2019-09-26 | 国立大学法人茨城大学 | 熱電変換モジュール |
| WO2020138288A1 (ja) * | 2018-12-27 | 2020-07-02 | 株式会社ロータスマテリアル研究所 | 冷却兼発電装置および該冷却兼発電装置を用いた冷却兼発電システム |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3006979A (en) * | 1959-04-09 | 1961-10-31 | Carrier Corp | Heat exchanger for thermoelectric apparatus |
| US3040538A (en) * | 1960-04-15 | 1962-06-26 | Westinghouse Electric Corp | Thermoelectric air conditioning unit |
| US3197342A (en) * | 1961-09-26 | 1965-07-27 | Jr Alton Bayne Neild | Arrangement of thermoelectric elements for improved generator efficiency |
| US3356539A (en) * | 1962-11-05 | 1967-12-05 | Zbigniew O J Stachurski | Thermoelectric generator |
| SE329870B (de) * | 1967-10-31 | 1970-10-26 | Asea Ab | |
| US3870568A (en) * | 1969-05-24 | 1975-03-11 | Siemens Ag | Heat generator |
| DE1944453B2 (de) * | 1969-09-02 | 1970-11-19 | Buderus Eisenwerk | Peltierbatterie mit Waermeaustauscher |
| US4125122A (en) * | 1975-08-11 | 1978-11-14 | Stachurski John Z O | Direct energy conversion device |
-
1978
- 1978-10-14 JP JP53126423A patent/JPS5827674B2/ja not_active Expired
-
1979
- 1979-10-05 US US06/082,239 patent/US4275259A/en not_active Expired - Lifetime
- 1979-10-09 DE DE2940963A patent/DE2940963C2/de not_active Expired
- 1979-10-11 NL NLAANVRAGE7907540,A patent/NL184398C/xx not_active IP Right Cessation
- 1979-10-12 GB GB7935610A patent/GB2033659B/en not_active Expired
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102015213294A1 (de) * | 2015-07-15 | 2017-01-19 | Mahle International Gmbh | Thermoelektrischer Wärmetauscher |
| US10804453B2 (en) | 2015-07-15 | 2020-10-13 | Mahle International Gmbh | Peltier-element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NL7907540A (nl) | 1980-04-16 |
| GB2033659B (en) | 1983-01-19 |
| US4275259A (en) | 1981-06-23 |
| NL184398C (nl) | 1989-07-03 |
| GB2033659A (en) | 1980-05-21 |
| JPS5553470A (en) | 1980-04-18 |
| JPS5827674B2 (ja) | 1983-06-10 |
| NL184398B (nl) | 1989-02-01 |
| DE2940963A1 (de) | 1980-04-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE2940963C2 (de) | Thermoelektrischer Wandler | |
| DE2703831C2 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Thermobatterie | |
| EP0356745B1 (de) | Vorrichtung zur Wärmeübertragung | |
| EP1515376A2 (de) | Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie | |
| DE3519771A1 (de) | Thermoelektrischer energiewandler | |
| EP1347529A2 (de) | Brennstoffzellenbatterie mit integriertem Wärmetauscher | |
| DE102011008801B4 (de) | Thermoelektrisches Modul und Leistungserzeugungsvorrichtung | |
| DE102005015016A1 (de) | Abgaswärmerückgewinnungssystem | |
| DE112012003038T5 (de) | Thermoelektrisches Stapel-Wandlermodul | |
| DE112009000192T5 (de) | Thermoelektrisches Umwandlungsmodul und Verbinder für ein thermoelektrisches Umwandlungselement | |
| DE102011005206A1 (de) | Thermoelektrischer Generator | |
| DE1539278B1 (de) | Thermoelektrischer Generator | |
| DE2631092C2 (de) | Keramischer Wechselschicht-Wärmetauscher in Modulbauweise | |
| DE69610516T2 (de) | Thermoelektrischer Leistungsgenerator unter Verwendung von porösen Metallblöcken mit einer Anzahl von Thermoelementen in Serienschaltung | |
| EP3255688B1 (de) | Thermoelektrischer generator für abgasanlagen und kontaktelement für einen thermoelektrischen generator | |
| DE2706715C3 (de) | Rekuperator mit zwei Gruppen von Rohrlagen und Verfahren zu dessen Herstellung | |
| DE60029855T2 (de) | Thermoelektrische Elemente | |
| DE1489276C3 (de) | Thermoelektrischer Generator | |
| DE2946842A1 (de) | Aus einem wabenfoermigen koerper bestehendes heizleiterelement aus kaltleitermaterial | |
| DE1539314A1 (de) | Thermosaeule | |
| DE112009000177T5 (de) | Infrarotsensor | |
| DE4325606A1 (de) | Keramisches Heizelement sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Heizelements | |
| DE102007063616B4 (de) | Verfahren zum Herstellen von thermoelektrischen Bauelementen und thermoelektrische Bauelemente | |
| DE1896154U (de) | Thermoelektrisches bauelement. | |
| DE1926645C3 (de) | Thermogenerator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OAP | Request for examination filed | ||
| OD | Request for examination | ||
| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |