DE3314166A1

DE3314166A1 - Thermoelektrisches system

Info

Publication number: DE3314166A1
Application number: DE19833314166
Authority: DE
Inventors: Shun-lung Dr.-Ing. 48084 Troy Mich. Chao; Richard A. 48013 Bloomfield Hills Mich. Vining
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc 48084 Troy Mich; Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: ECD ANR Energy Conversion Co
Priority date: 1982-04-29
Filing date: 1983-04-19
Publication date: 1983-11-03
Also published as: JPS58199577A; IL68386A0; BE896528A; FR2530869A1; IT1237560B; CA1192949A; GB2120456B; IT8320729A0; NL8301436A; GB2120456A; US4448028A; AU1369183A; GB8311179D0

Description

Patentanwälte DipL-Ing. Hans-Jürgen Müller DipL-Chem. Dr. Gerhard Scaupfner Dipl.-Ing. Hans-Peter Gauger üKlle-erahn-Str. 38 - D 8000 München 80

3^:3U166

Energy Conversion Devices', Inc 1675 West Maple Road

Troy, Michigan 48084 U.S.A.

THERMOELEKTRISCHES SYSTEM

Thermoelektrisches System

Die Erfindung bezieht sich auf neue und verbesserte thermoelektrische Systeme mit Wärmeleitrohren, die wenigstens eine im wesentlichen ebene Seitenwandung aufweisen, wodurch sich eine hochwirksame Wärmeübertragung zu den thermoelektrischen Bauelementen des Systems ergibt.

Man hat erkannt, daß der Weltvorrat an fossilen Brennstoffen zur Energieerzeugung immer schneller ausgebeutet wird. Diese Erkenntnis hat zu einer Energiekrise geführt, die nicht nur die Weltwirtschaft trifft, sondern den Frieden und die Stabilität in der Welt gefährdet. Die Lösung der Energiekrise liegt in der Entwicklung neuer Brennstoffe und wirksamerer Verfahren zu deren Nutzung. Zu diesem Zweck betrifft die vorliegende Erfindung die Energiekonservierung, die Stromerzeugung, die Umweltverschmutzung sowie die Bereitstellung neuer wirtschaftlicher Entwicklungsmöglichkeiten durch die Entwicklung neuer thermoelektrischer Systeme, die mehr Elektrizität erzeugen.

Ein wesentlicher Teil dieser Lösung im Hinblick auf die Entwicklung einer dauerhaften wirtschaftlichen Energieumsetzung liegt auf dem Gebiet der Thermoelektrik, wobei elektrische Energie durch Wärme erzeugt wird. Man hat geschätzt, daß mehr als 2/3 aller Energie z. B. von Kraftfahrzeug-Auspuffanlagen oder Kraftwerken verlorengeht und an die Umwelt abgegeben wird. Bisher resultieren aus dieser Wärmebelastung noch keine schwerwiegenden klimatischen Auswirkungen. Es wurde jedoch vorhergesagt, daß mit steigendem Energieverbrauch in der Welt die Auswirkung der Wärmebelastung

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schließlich zu einem teilweisen Abschmelzen der Polareiskappen mit einem daraus resultierenden Anstieg der Meereshöhe führen wird.

Ferner wird durch die Erfindung ein kostengünstiges, wirksames und wirtschaftliches thermoelektrisches System bereitgestellt zur Erzeugung elektrischer Energie aus der von Kraftwerken, geothermischen Stätten, Kraftfahrzeugen, Lastkraftwagen und Omnibussen erzeugten Abwärme. Durch die Nutzung der Abwärme aus diesen und anderen Quellen kann somit durch die Rückgewinnung von Elektrizität eine unmittelbare Verringerung der Umweltbelastung durch wärme erzielt werden, während gleichzeitig zur Konservierung wertvoller, jedoch nicht unerschöpflicher Energiequellen beigetragen wird.

Der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Systems hängt zum Teil von den Leistungskennlinien des bzw. der darin vorgesehenen thermoelektrischen Bauelemente ab. Die Leistung eines thermoelektrischen Bauelements kann wiederum in Form einer Güteklasse Z für das die Bauelemente bildende Material ausgedrückt werden, wobei Z wie folgt definiert ist:

ζ - κ

mit Z = Einheiten χ 10 ,

S = der Seebeck-Koeffizient in. V/°C,

K = die Wärmeleitfähigkeit in mW/cm-°C und

<J = die elektrische Leitfähigkeit in (Xl-cm)"

''/IO

Daraus ist ersichtlich, daß ein Werkstoff, um für die thermoelektrische Energieumwandlung geeignet zu sein, einen hohen Wert für durch den Seebeck-Koeffizienten S gegebene thermoelektrische Energie, eine hohe elektrische Leitfähigkeit er sowie eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen muß. Ferner hat die Wärmeleitfähigkeit K zwei Komponenten, und zwar die Gitterkomponente K₁ und die elektrische Komponente K . Bei Nichtmetallen dominiert K,, und diese Komponente bestimmt in der Hauptsache den Wert von K.

Anders ausgedrückt, ist ein Material dann zur thermoelektrischen Energieumwandlung wirksam, wenn Träger ohne weiteres von der warmen zur kalten Kontaktstelle diffundieren können, während das Temperaturgefälle erhalten bleibt. Somit ist zusammen mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu fordern.

In der Vergangenheit wurde die Umwandlung von thermoelektrischer Energie nicht in großem Umfang angewandt. Der Hauptgrund hierfür liegt darin, daß bekannte thermoelektrische Materialien, wenn sie überhaupt für industriellen Einsatz geeignet sind, kristallines Gefüge haben. Kristalline Feststoffe können keine hohen elektrischen Leitfähigkeitswerte erreichen und gleichzeitig eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufrechterhalten. Insbesondere kann aufgrund der Kristallsymmetrie die Wärmeleitfähigkeit nicht durch Modifikation gesteuert werden.

Bei der Anwendung der konventionellen polykristallinen Materialien bleiben die Probleme von Einkristall-Materialien

immer noch bestehen. Außerdem treten jedoch neue Probleme infolge der polykristallinen Korngrenzen auf, die relativ niedrige elektrische Leitfähigkeiten dieser Materialien bewirken. Ferner ist die Herstellung dieser Materialien schwierig zu kontrollieren aufgrund ihrer komplexeren kristallinen Struktur. Die chemische Modifikation oder Dotierung dieser Materialien ist wegen der vorgenannten Probleme besonders schwierig.

Einige der bekanntesten derzeitigen polykristallinen thermoelektrischen Materialien sind (Bi,Sb)₂Te₃, PbTe und Si-Ge. Die (Bi,Sb) .,Te^-Materialien sind für Anwendungszwecke im Bereich von -10 C bis +150 C am besten geeignet, wobei die beste Güteklasse Z um ca. 30 ⁰C erhalten wird. (Bi,Sb)₃Te₃ stellt ein kontinuierliches festes Lösungssystem dar, wobei die relativen Bi- und Sb-Mengen zwischen 0 und 100 % betragen. Das Si-Ge-Material eignet sich am besten für Hochtemperatur-Anwendungen im Bereich von 600-1000 ⁰C, wobei eine zufriedenstellende Güteklasse Z oberhalb 700 ⁰C erhalten wird. Das polykristalline PbTe-Material hat seine beste Güteklasse im Bereich von 300-500 ⁰C. Keines dieser Materialien eignet sich gut für Anwendungen im Bereich von 100-300 ⁰C. Dies ist sehr bedauerlich, da gerade in diesem Temperaturbereich eine große Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in Verbindung mit Abwärme vorhanden ist, z. B. mit geothermischer Abwärme sowie Abwärme aus Brennkraftmaschinen, die z. B. in Lastkraftwagen, Omnibusse und Personenkraftwagen eingebaut sind. Anwendungsmöglichkeiten dieser Art sind deshalb wesentlich, weil es sich hier um echte Abwärme handelt. Wärme in den höheren Temperaturbereichen muß gewollt mit anderen Brennstoffen erzeugt werden und ist daher keine echte Abwärme.

- vf -

Es wurden bereits neue und verbesserte thermoelektrische Legierungen zur Verwendung in den vorgenannten Temperaturbereichen gefunden. Diese Materialien sind in der US-Patentanmeldung Ser.-Nr. 341 864 vom 22. Jan. 1982 angegeben.

Die dort angegebenen thermoelektrischen Materialien können in den hier erläuterten Systemen eingesetzt werden. Diese Materialien sind keine kristallinen Einphasenmaterialien, sondern stattdessen ungeordnete Materialien. Ferner handelt es sich um Mehrphasenmaterialien^v, die sowohl amorphe als auch eine Vielzahl kristalline Phasen haben. Materialien dieser Art sind gute Wärmeisolatoren. Sie weisen Korngrenzen verschiedener Übergangsphasen auf, deren Zusammensetzung von derjenigen von Matrixkristalliten bis zu derjenigen der verschiedenen Phasen in den Korngrenzbereichen reicht. Die Korngrenzen haben einen hohen Fehlordnungsgrad, wobei die Übergangsphasen Phasen hoher Wärmebeständigkeit umfassen, so daß sich ein hoher Wärmeleitwiderstand ergibt. Im Gegensatz zu konventionellen Materialien ist das Material so ausgelegt, daß die Korngrenzen Zonen mit darin vorhandenen leitfähigen Phasen definieren, so daß eine Vielzahl von elektrischen Leitungsbahnen durch die Masse des Materials vorhanden ist, wodurch die elektrische Leitfähigkeit gesteigert wird, ohne daß gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit wesentlichen beeinträchtigt wird. Kurz gesagt, haben diese Materialien sämtliche Vorteile polykristalliner Materialien bezüglich erwünscht niedriger Wärmeleitfähigkeiten und der Seebeck-Eigenschaften kristalliner Massen. Im Gegensatz zu den konventionellen polykristallinen Materialien weisen diese ungeordneten Mehrphasenmaterialien jedoch auch erwünscht hohe elektrische Leitfähigkeiten auf. Somit kann,

nt * *

wie in der vorher genannten US-Patentanmeldung angegeben, das S er -Produkt fur die Güteklasse dieser Materialien unabhängig mit erwünscht niedrigen Wärmeleitfähigkeiten für die thermoelektrisch^ Energieerzeugung maximiert werden.

Es wurden bereits amorphe Materialien, die den höchsten Fehlordnungsgrad aufweisen, für thermoelektrische Anwendungszwecke hergestellt. Die Materialien und Verfahren zu ihrer Herstellung sind in den US-PS"en 4 177 473, 4 177 474 und 4 178 415 angegeben. Die dort genannten Materialien werden in einer festen amorphen Wirtsmatrix gebildet, deren Gefügekonfigurationen einen eher lokalen als weitreichenden Ordnungsgrad aufweist und deren elektronische Konfiguration so ist, daß sie einen Bandabstand und elektrische Aktivierungsenergie aufweist. Der amorphen Wirtsmatrix ist ein Modifikationsmaterial zugefügt, das Orbitale aufweist, die mit der amorphen Wirtmatrix sowie mit sich selbst in Wechselwirkung treten unter Bildung elektronischer Zustände im Bandabstand. Diese Wechselwirkung modifiziert die elektronischen Konfigurationen der amorphen Wirtsmatrix erheblich, so daß die Aktivierungsenergie beträchtlich verringert und infolgedessen die elektrische Leitfähigkeit des Materials erheblich gesteigert wird. Die resultierende elektrische Leitfähigkeit kann durch die Menge des der Wirtsmatrix zugefügten Modifikationsmaterials gesteuert werden. Die amorphe Wirtsmatrix ist normalerweise eigenleitend, und das Modifikationsmaterial ändert die Wirtsmatrix dahingehend, daß sie störstellenleitend wird.

Ferner ist dort angegeben, daß die amorphe Wirtsmatrix Elektronenpaare mit Orbitalen aufweisen kann, wobei die

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Orbitale des Modifikationsmaterials damit in Wechselwirkung treten unter Bildung der neuen elektronischen Zustände im Bandabstand. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Wirtsmatrix primär eine Vierflächenbindung aufweisen, wobei der Modifikator primär nichtsubstitutionell zugegeben wird und seine Orbitale mit der Wirtsmatrix in Wechselwirkung treten. Sowohl D- als auch F-Absorptionsbande-Materialien sowie Bor und Kohlenstoff, durch die sich Multiorbital-Möglichkeiten ergeben, können als Modifikatoren zur Bildung der neuen elektronischen Zustände im Bandabstand eingesetzt werden.

Als Folge der vorstehenden Vorgänge weisen diese amorphen thermoelektrischen Materialien eine wesentlich gesteigerte elektrische Leitfähigkeit auf. Da sie jedoch nach der Modifizierung amorph bleiben, behalten sie ihre niedrigen Wärmeleitfähigkeiten, so daß sie für thermoelektrische Anwendungszwecke insbesondere in Hochtemperaturbereichen oberhalb 400 ⁰C gut geeignet sind.

Diese Materialien werden auf einem atomischen oder mikroskopischen Niveau modifiziert, wobei ihre Atomkonfigurationen erheblich geändert werden zur Schaffung der vorher erwähnten unabhängig gesteigerten elektrischen Leitfähigkeiten. Im Gegensatz dazu sind die in der eingangs genannten US-Patentanmeldung angegebenen Materialien nicht atomisch modifiziert, sondern sie werden in einer Weise hergestellt, die in das Material eine Fehlordnung auf einem makroskopischen Niveau einführt. Diese Unordnung ermöglich es, daß verschiedene Phasen einschließlich leitfähiger Phasen in das Material eingeführt werden können, und zwar in ähnlicher

Weise wie bei der atomischen Modifikation in Materialien mit rein amorpher Phase, so daß eine kontrollierte hohe elektrische Leitfähigkeit erhalten wird, während gleichzeitig die
Fehlordnung in den anderen Phasen für eine niedrige wärmeleitfähigkeit sorgt. Daher liegen diese Materialien hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit zwischen den amorphen und den regulären polykristallinen Materialien.

Ein thermoelektrisches Bauelement erzeugt Elektrizität durch die Ausbildung einer Temperaturdifferenz in den darin
enthaltenen Materialien. Die thermoelektrischen Bauelemente
umfassen normalerweise Elemente aus p- und aus n-leitendem Material. Bei dem p-leitenden Material treibt die Temperaturdifferenz positv geladene Träger von der warmen zur
kalten Seite der Bauelemente, wogegen bei dem n-leitenden
Material die Temperaturdifferenz negativ geladene Träger von der warmen zur kalten Seite der Bauelemente treibt.

Die konventionellen Wärmetauscher, die zur Wärmeübertragung
zu dem thermoelektrischen Bauelement eingesetzt werden, sind groß, schwer und haben einen geringen Wirkungsgrad. Sie
umfassen eine Vielzahl von eng beabstandeten Wärmeaufnahmeflächen, die Durchgänge bilden, die durch das Durchströmen
einer heißen Flüssigkeit leicht verstopft werden. Ferner
sind konventionelle Wärmetauscher so ausgelegt, daß die
thermoelektrischen Elemente mit ihnen einstückig und untrennbar ausgebildet sind. Durch diese Nichttrennbarkeit von den thermoelektrischen Bauelementen ist es schwierig bis
unmöglich, die Wärmetauscher zu reinigen und zu unterhalten.

Konventionelle Wärmetauscher werden ferner normalerweise aus großen Mengen von z„ B. Kupfer, Aluminium oder rostfreiem

Stahl aufgebaut, sie können also nur mit hohen Kosten hergestellt werden. In den Abgasleitungen von Brennkraftmaschinen, in denen sie eingesetzt werden, bewirken sie außerdem einen hohen Staudruck. Dadurch wird das Erreichen und Unterhalten eines ordnungsgemäßen Betriebs der Motoren erschwert. Da die thermoelektrischen Elemente ferner einstükkig mit den Wärmetauschern ausgebildet sind, werden schließlich die thermoelektrischen Bauelemente einer potentiellen Verschmutzung durch die Abgase in den Auspuffleitungen ausgesetzt.

Durch die vorliegende Erfindung werden neue und verbesserte thermoelektrische Systeme zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Abwärme angegeben. Die Systeme sind raumsparend aufgebaut und weisen keine beweglichen Teile auf. Ferner sind sie an die Nutzung von Abwärme von vielen verschiedenen Abwärmequellen einschließlich der Abwärme aus Brennkraftmaschinen anpaßbar.

Die thermoelektrischen Systeme nach der Erfindung enthalten eine Mehrzahl Wärmeleitrohre mit jeweils wenigstens einer ebenen Fläche und damit einstückigen Warmesammelorganen in Form von Wärmesammeirippen, die im Strom eines Abwärme erzeugenden Fluids angeordnet sind. Die Wärmeleitrohre verlaufen außerhalb des Stroms des erwärmten Fluids zu einer Mehrzahl von thermoelektrischen .,Bauelementen, die von dem erwärmten Fluidstrom vollständig getrennt sind. Die·wenigstens eine ebene Fläche der Wärmeleitrohre bildet einen breiten thermischen Oberflächenkontakt mit einer Seite wenigstens eines thermoelektrischen Bauelements, wodurch in wirksamer Weise die gesammelte Wärme zu dem Bauelement

übertragen wird. Die andere Seite des thermoelektrischen Bauelements ist einem Kühlmittel ausgesetzt, wodurch eine Temperaturdifferenz durch das thermoelektrische Bauelement erzeugt wird, was die Erzeugung elektrischer Energie erlaubt.

Die Wärmeleitrohre haben bevorzugt Rechteckquerschnitt unter Bildung von zwei entgegengesetzten, im wesentlichen ebenen Seitenwandungen zum breitflächigen Wärmekontakt mit den thermoelektrischen Bauelementen. Die Wärmeleitrohre sind hohl und hermetisch abgeschlossen und enthalten ein Arbeitsfluid. Dieses dient zum wirksamen Fördern der aus dem erwärmten Fluid aufgenommenen Wärme zur warmen oder heißen Seite der thermoelektrischen Bauelemente. Dies wird erreicht, indem die Thermodynamik der Verdampfung und Kondensation des Arbeitsfluids genutzt wird. Da die Wärmeleitrohre ferner hermetisch dicht sind, wird ein verschmutzungsfreies kontinuierliches Kreislaufsystem geschaffen.

Durch die Anwendung der rechteckigen Wärmeleitrohre in Verbindung mit den einstückigen Warmesammelrippen wird ein kostengünstiges, raumsparend ausgebildetes und mit hohem Wirkungsgrad arbeitendes Wärmeübertragungssystem geschaffen, das gegenüber dem erwärmten Fluidstrom nur einen geringen Staudruck ausübt. Das System hat ferner eine längere Lebensdauer und ist leichter zu reinigen und zu warten als konventionelle Systeme.

Die Systeme nach der Erfindung kühlen die kalte Seite der thermoelektrischen Bauelemente durch Unterhaltung eines Wasseroder anderen Fluidstroms um diese. Alternativ kann die

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kalte Seite der thermoelektrischen Bauelemente dadurch gekühlt werden, daß sie der Umgebungsluft ausgesetzt wird.

Das thermoelektrische System gemäß der Erfindung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem auf höhere Temperatur erwärmten Fluidstrom ist gekennzeichnet durch wenigstens ein thermoelektrisches Bauelement zur Erzeugung der elektrischen Energie aufgrund einer daran angelegten Temperaturdifferenz, durch eine erste Wärmeübertragungseinheit mit wenigstens einem im Fluidstrom angeordneten Wärmeleitrohr, wobei sich das wenigstens eine Wärmeleitrohr nach außerhalb des Fluidstroms erstreckt und wenigstens eine damit einstückige, im wesentlichen ebene Fläche aufweist, die mit dem wenigstens einen thermoelektrischen Bauelement thermisch koppelbar ist zur übertragung wenigstens eines Teils der Wärme des Fluidstroms zu dem wenigstens einen Bauelement, und durch eine zweite Wärmeübertragungseinheit, die thermisch mit dem wenigstens einen thermoelektrischen Bauelement gekoppelt ist und gemeinsam mit der ersten Wärmeübertragungseinheit die Temperaturdifferenz an dem wenigstens einen thermoelektrischen Bauelement ausbildet.

Eine andere Ausführungsform des thermoelektrischen Systems nach der Erfindung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Abwärmestrom ist gekennzeichnet durch thermoelektrische Bauelemente zur Erzeugung der elektrischen Energie aufgrund einer daran ausgebildeten Temperaturdifferenz, durch eine erste Wärmeübertragungseinheit mit einer Mehrzahl Wärmeleitrohre, deren jedes einen Abschnitt in dem Abwärmestrom aufweist und im wesentlichen Rechteckquerschnitt hat unter Bildung von zwei entgegengesetzten, im wesentlichen

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ebenen Seitenwandungen zum breitflächigen thermischen Kontakt mit den Bauelementen, so daß ein Teil der Abwärme mit hohem Wirkungsgrad auf die thermoelektrischen Bauelemente übertragen wird, und durch eine zweite Wärmeübertragungseinheit, die mit den thermoelektrischen Bauelementen gekoppelt ist zum Anlegen einer Temperatur an diese, die niedriger als die von der ersten Wärmeübertragungseinheit darauf übertragene Temperatur ist, wodurch die Temperaturdifferenz an die thermoelektrischen Bauelemente angelegt wird.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine seitliche Draufsicht auf das thermoelektrische System gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht 2-2 nach Fig. 1; Fig. 3 eine Querschnittsansicht 3-3 nach Fig. 2; Fig. 4 eine Querschnittsansicht 4-4 nach Fig. 3;

Fig. 5 eine seitliche Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Systems; und

Fig. 6 eine Querschnittsansicht 6-6 nach Fig. 5.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein thermoelektrisches System 10. Dieses umfaßt eine Wärmerückgewinnungseinheit 12, die von einer Trennwand 18 in eine Wärmerückgewinnungskammer 14 und eine Kühlkammer 16 unterteilt ist. An der Wärmerückgewinnungseinheit 12 ist ein Paar Leitungseinheiten 20 und 22

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gesichert. Die Leitungseinheit 20 umfaßt Leitungen 46 und 48, durch die ein Fluidstrom, der durch Abwärme erwärmt ist, durch die Wärmerückgewinnungskammer 14 gerichtet wird. Die Leitungseinheit 22 umfaßt Leitungen 50 und 52, durch die ein Kühlfluidstrom durch die Kühlkammer 16 gerichtet wird.

Die aus dem Fluid in der Wärmerückgewinnungskammer 14 rückgewonnene Wärme wird aus der Kammer 14 zu einer Seite einer Anzahl von thermoelektrischen Bauelementen 24 übertragen, die in der Kühlkammer 16 angeordnet sind. Die so übertragene Wärme hält die eine Seite der thermoelektrischen Bauelemente auf erhöhter Temperatur. Der Kühlmittelstrom durch die Kühlkammer 16 hält die andere Seite der thermoelektrischen Bauelemente 24 auf einer etwas niedrigeren Temperatur. Dadurch wird eine Temperaturdifferenz durch die Bauelemente erzeugt, wodurch die Erzeugung von Elektrizität möglich ist.

Bei der praktischen Anwendung der Erfindung können die thermoelektrischen Bauelemente 24 z. B. die Form aufweisen, wie sie in den US-Patentanmeldungen Serial-Nr. 372 689 und Nr. 372 688, beide vom 28. April 1982, angegeben ist. Das entsprechende Bauelement umfaßt n- und p-leitende thermoelektrische Elemente.

Die n- und p-leitenden Elemente sind mit einer Kupferleitermatrix verlötet. Die Kupferleitermatrix ist so angeordnet, daß sie die n- und die p-leitenden Bauelemente abwechselnd aufeinanderfolgend elektrisch in Reihe und thermisch parallel schaltet.

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Abwärme in Form von Abgasen, die beim Betrieb von Brennkraftmaschinen anfallen, kann eine Temperaturdifferenz von 200 ⁰C dureh die thermoelektrischen Bauelemente 24 ausbilden. Wenn die Einzelelemente des Bauelements 24 einen Seebeck-Koeffizienten S von 0,15 mV/°C haben, kann die von jedem Einzelelement erzeugbare Spannung bestimmt werden aus

dem Ausdruck V. =0,15 mV/°C χ 200 ⁰C oder 30 mV. Die te

Anzahl Einzelelemente, die zur Erzeugung von 14 kV erforderlich ist, also der in Personen- und Lastkraftwagen verwendeten Spannung, kann wie folgt bestimmt werden:

η = ^14V , = 467.
30 mV

Dann kann jede Anzahl Einzelelemente in Seriengruppen von 467 Elementen parallelgeschaltet werden, um den erforderlichen Strom für das System bei 14 V zu erhalten. Selbstverständlich umfaßt jedes thermoelektrische Bauelement 24 weniger als die erforderlichen 467 Einzelelemente. Die Anzahl der in Reihenanordnung zusammenzuschaltenden Bauelemente zur Erzeugung der 14 V ist gleich der Gesamtanzahl der erforderlichen Einzelelemente, dividiert durch die Anzahl Einzelelemente in jedem thermoelektrischen Bauelement. Wenn z. B. jedes Bauelement 32 Einzelelemente umfaßt, dann werden 467 dividiert durch 32 Bauelemente benötigt. Bei diesem Beispiel ist 467 : 32 = 14,6. Somit müssen 15 Bauelemente reihengeschaltet werden, um eine Ausgangsspannung von wenigstens 14 V zu erzielen.

Gemäß den Fig. 2, 3 und 4 umfaßt das System 10 eine Mehrzahl Wärmeleitrohre 38, die von der Wärmerückgewinnungskammer 14

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durch die Trennwand 18 und in die Kühlkammer 16 verlaufen. Die Wärmeleitrohre 38 sind reihenweise angeordnet und haben im wesentlichen Rechteckquerschnitt, so daß zwei entgegengesetzte im wesentlichen ebene Seitenwandungen 38a und 38b gebildet sind, was einen breitflächigen thermischen Kontakt mit den thermoelektrischen Bauelementen 24 in der Kühlkammer 16 erlaubt. Zum besseren Sammeln der Wärme aus der Abwärme in der Wärmeruckgewinnungskammer 14 weisen die Wärmeleitrohre eine Mehrzahl von damit einstückigen, im wesentlichen parallelen und in Vertikalrichtung voneinander beabstandeten Wärmesamme1rippen 40 auf. Die Wärmesammeirippen 40 verlaufen im wesentlichen senkrecht von den ebenen Seitenwandungen 38a und 38b der Wärmeleitrohre 38 und liegen in Ebenen, die zu dem erwärmten Fluidstrom im wesentlichen parallel verlaufen. Die Wärmeleitrohre 38 und die Wärmesammeirippen 40 bestehen aus einem guten Wärmeleitermaterial, ζ. Β. aus Kupfer, rostfreiem Stahl, Aluminium od. dgl. Die von den Wärmesammeirippen 40 aufgenommene Wärme wird durch die Wärmeleitrohr 38 aus der Wärmeruckgewinnungskammer 14 durch die Trennwand 18 und zu den thermoelektrischen Bauelementen 24 in der Kühlkammer 16 übertragen. Wie ferner ersichtlich ist, sind die Wärmeleitrohre 38 jeder Rohrreihe nebeneinander im wesentlichen einander berührend angeordnet.

Die im wesentlichen rechteckigen Wärmeleitrohre 38 sind ferner hohl und an jedem Ende hermetisch dicht. Ungefähr 5-10 % des Innenraums der Wärmeleitrohre 38 ist von einem Arbeitsfluid 42, z. B. Wasser, eingenommen. Es hat sich gezeigt, daß dieser Wärmeleitrohraufbau eine wirkungsvollere Wärmeübertragung von der Wärmeruckgewinnungskammer 14 zur Kühlkammer 16 bewirkt als massive Wärmeleitrohre oder jede

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andere bekannte Konstruktion. Bei der Wärmeübertragung aus der Wärmerückgewinnungskammer 14 zur Kühlkammer 16 wird das Arbeitsfluid 42 in dem Abschnitt des Wärmeleitrohrs 38 innerhalb der Wärmerückgewinnungskammer 14 verdampft. Das verdampfte Arbeitsfluid 42 strömt dann zu demjenigen Teil des Wärmeleitrohrs 38 innerhalb der Kühlkammer 16, in dem es seine Wärme an die thermoelektrischen Bauelemente 24 abgibt, die in breitflächigem thermischem Kontakt mit den Seitenwandungen 38a und 38b liegen. Das Arbeitsfluid 42 kondensiert dann und kehrt zu dem Abschnitt des Wärmeleitrohrs 38 innerhalb der Wärmerückgewinnungskammer 14 zurück, wo der Wärmeübertragungszyklus wiederholt wird.

Die thermoelektrischen Bauelemente 24 bedecken im wesentlichen den gesamten Oberflächenbereich der Wärmeleitrohrflächen 38a und 38b innerhalb der Kühlkammer 16 und befinden sich in gutem thermischem Kontakt damit. Die Bauelemente 24 berühren sich an ihren Rändern in hermetischem Kontakt. Ferner sind die Bauelemente in Längsrichtung der Wärmerückgewinnungseinheit 12 angeordnet und weisen Außenflächen 44 auf, die die kalte Seite der Bauelemente 24 bilden. Die Außenflächen 44 begrenzen miteinander oder mit den Seitenwandungen der Einheit 12 hermetische Kanäle 47 zum Richten des Kühlmediums durch die Kühlkammer zur Kühlung der kalten Seite 44 der thermoelektrischen Bauelemente 24. Da die Bauelemente 24 an ihren Rändern in hermetischem Kontakt stehen, isolieren sie das Innere der thermoelektrischen Bauelemente 24 gegenüber dem Kühlmittel.

Beim Betrieb des thermoelektrischen Systems 10 werden heiße Abgase aus Brennkraftmaschinen durch die Wärmerückgewin-

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nungskainmer 14 durch die Leitungen 46 und 48 der Leitungseinheit 20 gerichtet. Dort wird Wärme durch die Wärmesammeirippen 40 der Wärmeleitrohre 38 aufgenommen. Das Arbeitsfluid 42 wird verdampft und überträgt seine Wärme zur heißen Seite der thermoelektrischen Bauelemente 24, die an den ebenen Seitenwandungen 38a und 38b der Wärmeleitrohre 38 innerhalb der Kühlkammer 16 angeordnet sind.

Die kalte Seite jedes thermoelektrischen Bauelements 24 wird von einem Kühlmittel gekühlt unter Ausbildung einer Temperaturdifferenz durch jedes Bauelement. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Kühlmittel Wasser. Das Wasser wird durch die Kanäle 47 der Kühlkammer 16 durch Leitungen 50 und 52 der Leitungseinheit 22 gerichtet. Die Kanäle 47 sind der kalten Seite jedes Bauelements 24 ausgesetzt. Infolgedessen kontaktiert und kühlt das Wasser die kalte Seite der Bauelemente 24.

Die Fig. 5 und 6 zeigen als weiteres Ausführungsbeispiel das thermoelektrische System 54. Dieses umfaßt eine Wärmerückgewinnungseinheit 56 mit einer Wärmerückgewinnungskammer 58. An der Wärmerückgewinnungseinheit 56 sind Leitungseinheiten 60 und 62 befestigt, die einen durch Abwärme erwärmten Fluidstrom durch die Wärmerückgewinnungskammer 58 richten.

Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel umfaßt die Wärmerückgewinnungskammer 58 eine Mehrzahl von Wärmeleitrohren 66 mit damit einstückigen Wärmesammeirippen 64, die sich senkrecht von den Wärmeleitrohren 66 erstrecken. Die von den Wärmesammeirippen 64 der Wärmeleitrohre 66 aufgenommene Wärme wird einem Bereich außerhalb der Wärmerückgewinnungs-

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kammer 58 zugeführt. Dort sind thermoelektrische Bauelemente 68 mit den ebenen Seitenwandungen 70 der Wärmeleitrohre 66 gekoppelt. Die Bauelemente 68 werden daher auf einer Seite durch die durch die WärmeIeitrohre 66 geleitete Wärme erwärmt.

Kühlere Umgebungsluft wird zur Kühlung der anderen Seite der thermoelektrischen Bauelemente 68 eingesetzt. Zur besseren Nutzung der Umgebungsluft für die Kühlung der thermoelektrischen Bauelemente sind horizontal angeordnete und in Vertikalrichtung voneinander beabstandete Kühlrippen 72 senkrecht zu den Bauelementen 24 in gutem Wärmekontakt damit angeordnet.

Die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels entspricht derjenigen des vorhergehenden Ausführungsbeispiels, wobei jedoch zur Kühlung der kalten Seite der thermoelektrischen Bauelemente Umgebungsluft eingesetzt wird. Die vorstehend erläuterten Konstruktions- und Werkstoff-Prinzipien sind bei beiden Ausführungsbeispielen die gleichen; bei dem alternativen Ausführungsbeispiel wird jedoch eine höhere Betriebstemperatur verlangt, da die kalte Seite der Bauelemente höhere Temperatur aufweist.

Claims

Patentansprüche

1/. Thermoelektrisches System zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem auf höhere Temperatur erwärmten Fluid-

gekennzeichnet durch wenigstens ein thermoelektrisches Bauelement (24; 68) zur Erzeugung der elektrischen Energie aufgrund einer daran angelegten Temperaturdifferenz;

eine erste Wärmeübertragungseinheit (12; 56) mit wenigstens einem im Fluidstrom angeordneten Wärmeleitrohr (38; 66), wobei sich das wenigstens eine Wärmeleitrohr nach außerhalb des Fluidstroms erstreckt und wenigstens eine damit einstückige, im wesentlichen ebene Fläche (38a, 38b; 70) aufweist, die mit dem wenigstens einen thermoelektrischen Bauelement thermisch koppelbar ist zur Übertragung wenigstens eines Teils der Wärme des Fluidstroms zu dem wenigstens einen Bauelement; und

- eine zweite Wärmeübertragungseinheit (16), die thermisch mit dem wenigstens einen thermoelektrischen Bauelement gekoppelt ist und gemeinsam mit der ersten Wärmeübertragungseinheit die Temperaturdifferenz an dem wenigstens einen thermoelektrischen Bauelement ausbildet.
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß das wenigstens eine Wärmeleitrohr (38; 66) damit einstückig eine Mehrzahl von Wärmesammeiorganen (40; 64) aufweist, die im Fluidstrom liegen.

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3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesammeiorgane (40; 64) im wesentlichen eben sind und in einer zur Strömungsrichtung des Fluids im wesentlichen parallel verlaufenden Ebene liegen.
4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Wärmeübertragungseinheit (12; 56) eine Mehrzahl WärmeIeitrohre (38; 66) aufweist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesammeiorgane durch eine Mehrzahl von im wesentlichen ebenen Rippen (40; 64) gebildet sind, die von den Wärmeleitrohren (38; 66) ausgehen, voneinander beabstandet und im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Wärmeleitrohr (38; 66) aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht.
7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitrohr (38; 66) aus Kupfer, rostfreiem Stahl oder Aluminium besteht.
8. System nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Wärmeleitrohr (38; 66) im wesentlichen Rechteckquerschnitt hat.

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9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitrohr (38; 66) ein Arbeitsfluid C42) enthält, das im vollständig kondensierten Zustand zwischen und 10 % des Innenraums des Wärmeleitrohrs einnimmt.
10. System nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmeübertragungseinheit Luftstrom-Kühlorgane (72) umfaßt, so daß das wenigstens eine Bauelement (68) eine niedrigere Temperatur als die durch die erste Wärmeübertragungseinheit (56) ausgebildete Temperatur aufweist.
11. System nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmeübertragungseinheit (16) einen Kühlwasserstrom (22) aufweist, so daß das wenigstens eine Bauelement (24; 68) eine niedrigere Temperatur als die durch die erste Wärmeübertragungseinheit (12) erzeugte aufweist.
12. System nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fluidstrom gegenüber der zweiten Wärmeübertragungseinheit (16; 72) isoliert ist.
13. Thermoelektrisches System zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Abwärmestrom, g e k e η η zeichnet durch thermoelektrische Bauelemente (24; 68) zur Erzeugung der elektrischen Energie aufgrund einer daran ausgebildeten Temperaturdifferenzr

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eine erste Wärmeübertragungseinheit (12; 56) mit einer Mehrzahl Wärmeleitrohre (38; 66), deren jedes einen Abschnitt im Abwärmestrom aufweist und im wesentlichen Rechteckquerschnitt hat unter Bildung von zwei entgegengesetzten, im wesentlichen ebenen Seitenwandungen (3Sa, 38b; 70) zum breitflächigen thermischen Kontakt mit den Bauelementen, so daß ein Teil der Abwärme mit hohem Wirkungsgrad auf die thermoelektrischen Bauelemente übertragen wird; und

eine zweite Wärmeübertragungseinheit (16; 72), die mit den thermoelektrischen Bauelementen gekoppelt ist zum Anlegen einer Temperatur an diese, die niedriger als die von der ersten Wärmeübertragungseinheit darauf übertragene Temperatur ist, wodurch die Temperaturdifferenz an die thermoelektrischen Bauelemente angelegt wird.
14. System nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch

eine erste Kammer (14) zum Leiten der Abwärme und eine zweite Kammer (16), die gegenüber der ersten Kammer hermetisch dicht ist und die zweite Wärmeübertragungseinheit sowie die thermoelektrischen Bauelemente (38) enthält.
15. System nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Wärmeleitrohre (38) aus der ersten Kammer (14) in die zweite Kammer (16) verlaufen.
16. System nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Wärmeleitrohr (38) eine Mehrzahl von damit ein-

stückigen Wärmesammeiorganen (40) aufweist, die innerhalb der ersten Kammer (14) vorgesehen sind.
17. System nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesammeiorgane (40) im wesentlichen eben sind und in einer zum Abwärmestrom im wesentlichen parallelen Ebene liegen.
18. System nach einem der Ansprüche 13-17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmeübertragungseinheit Luftkühlorgane (72) zum Anlegen der niedrigeren Temperatur an die Bauelemente (68) aufweist.
19. System nach einem der Ansprüche 13-17, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Wärmeübertragungseinheit (16) eine Kühlwasserleitung (22) zum Anlegen der niedrigeren Temperatur an die Bauelemente (24) aufweist.
20. System nach einem der Ansprüche 13-19, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrohre (38; 66) aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen.
21. System nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitrohre (38; 66) aus Kupfer, rostfreiem Stahl oder Aluminium bestehen.

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22. System nach einem der Ansprüche 13-21, dadurch gekennzeichnet,

daß jedes Wärmeleitrohr (38; 66) ein Arbeitsfluid (42) enthält, und daß das Arbeitsfluid im vollständig kondensierten Zustand ca. 5-10 % des Innenraums der Wärmeleitrohre einnimmt.
23. System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

daß das Arbeitsfluid (42) Wasser ist.
24. System nach einem der Ansprüche 13-23, gekennzeichnet durch

ein Trennelement (18) zum Trennen der Abwärme gegenüber den thermoelektrischen Bauelementen.