WO2008025701A2 - Einrichtung der thermoelektrik mit einem thermoelektrischen generator und mitteln zur temperaturbegrenzung an dem generator - Google Patents

Einrichtung der thermoelektrik mit einem thermoelektrischen generator und mitteln zur temperaturbegrenzung an dem generator Download PDF

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WO2008025701A2
WO2008025701A2 PCT/EP2007/058677 EP2007058677W WO2008025701A2 WO 2008025701 A2 WO2008025701 A2 WO 2008025701A2 EP 2007058677 W EP2007058677 W EP 2007058677W WO 2008025701 A2 WO2008025701 A2 WO 2008025701A2
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Simon Hüttinger
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/14—Combined heat and power generation [CHP]

Definitions

  • thermoelectrics With a thermoelectric generator and means for limiting the temperature at the generator
  • thermoelectric generator is evident from EP 1 522 685 A1.
  • thermoelectric generator is a component of two different, interconnected materials, preferably two different or differently doped semiconductors, which generates an electrical voltage due to the Seebeck effect when the junctions of the different materials have different temperatures.
  • the Seebeck effect describes the development of an electrical ⁇ rule voltage in an electrical conductor along a temperature gradient, caused by thermal diffusion currents.
  • N ⁇ tig To use the Seebeck effect technically, it's N ⁇ tig to bring two different electrical conductors with differing ⁇ cher electronic heat capacity in contact. Due to the different electronic heat capacity, the electrons in the two conductors have different kinetic energies at the same temperature.
  • thermoelectric generator can be constructed analogously to a Peltier element. Also, for a thermoelectric generator, the same or similar materials as for the production of Peltier elements, such as. B. bismuth tellurite or silicon germanium.
  • thermoelectric generators are increasingly being used to utilize the exhaust waste heat, eg. As in motor vehicles, combined heat and power or waste incineration plants used.
  • DE 33 14 166 A1 discloses a thermoelectric system with a high efficiency. Starting from a hot fluid stream, z. B. an exhaust gas stream, heating a ⁇ side with ribs For better thermal connection, provided heat conduction pipes. The heated from the fluid stream jacketerie ⁇ tung pipes conduct heat to the thermoelectric genera ⁇ motors, which are mounted on the opposite side of the heat conduction pipes and act as a heat sink.
  • the heat pipes are to improve their registryleitfä ⁇ ability filled with a working fluid, which is evaporated at the hot part of the heat pipe and at the somewhat cold ⁇ ren part on which the thermoelectric generators are arranged, recondensed.
  • a particularly effective thermal coupling of thermoelectric generators z. B. can be achieved to an exhaust stream.
  • the disclosed system is particularly suitable for use in Hochtemperaturbe ⁇ rich, at working temperatures of more than 400 0 C.
  • US 4 125 122 A discloses a method and apparatus for the thermoelectric conversion of heat into electrical energy.
  • the disclosed device is designed as a heat exchanger, which operates on the countercurrent principle.
  • the device disclosed in US Pat. No. 4,125,122 A provides two separate circuits in which media for heat transfer circulate.
  • a first medium transports heat from a heat source to a heat sink.
  • At least one first heat pipe is in thermal contact with the hot flow of the first medium; at least one second processing choirlei ⁇ pipe is in thermal contact with the cold flow of the first medium.
  • Thermoelectric generators befin ⁇ in thermal contact with both a hot and with a colder heat pipes.
  • a second medium circulates in a second thermosiphon-driven circuit.
  • thermoelectric generator In the heat pipe, which is in thermal contact with the cold side of the thermoelectric generator, there is a circulation of the second medium, in which it vaporizes the, in thermal contact with the cold side of the thermoelectric generator side of the heat pipe, and on the (still) cold side of the saulei ⁇ tung tube, which is in contact with the first medium, condensed.
  • thermoelectric system disclosed in DE 33 14 166 A1 and the one disclosed in US Pat. No. 4,125,122 A pursue the goal of the most effective and loss-free thermal coupling of the thermoelectric generators to a hot working fluid. In these systems, however, there is a risk that their thermoelectric generators are exposed to high temperatures and therefore can be damaged.
  • thermoelectric device with a thermo ⁇ electric generator and means for limiting the temperature of the generator can be found in US 3,881,962.
  • a chamber-like piping system filled with a vaporizable working medium is provided, which extends between a heating area to be regarded as a heat source and a condenser to be regarded as a heat sink.
  • a thermoelectric module of this is from the Condenser arranged spatially separated.
  • a pipeline is additionally connected to the condenser space, which leads to a geodetically higher pressure valve with the aid of which the pressure of the working medium and thus the thermal flow from the heating area to the condenser can be limited.
  • Such a temperature limitation on the thermoelectric module is structurally complex.
  • thermoelectric device with two thermoelectric generators, a heat source and a heat sink is also disclosed in JP 2003-219671 A. Two working media with different boiling temperatures are used.
  • thermoelectric generator for hybrid automobiles
  • two working media are used.
  • One of the working media serves for cooling a heat sink, while the other working medium is connected to a heat source of the automobile.
  • EP 1615274 A2 discloses a thermoelectric conversion module for energy, in which also a Tempe ⁇ raturdifferenz is utilized.
  • thermoelectric semiconductor elements and electrodes are arranged between a cooling plate and a heating plate.
  • JP 2000-35824 A discloses a thermoelectric generator for the internal combustion engine of a motor vehicle, in which a temperature limitation is applied to the thermoelectric generator using a deformable bimetallic element.
  • thermoelectric generator using two different materials with thermoelectric properties.
  • the system for exhaust gas control of an automobile with a thermoelectric generator which can be removed from the above-mentioned EP 1 522 685 A1 and with means for limiting the temperature has the features mentioned in the introduction.
  • various working media such as oil can be used for heat transport from an exhaust system as a heat source to the thermoelectric generator.
  • the object of the present invention is to express a thermoelek--symmetrical device having the features mentioned check in which a good adaptation to the respective temperature conditions is made possible so that there is no then ge ⁇ called risk of impermissible overheating.
  • thermoelectric device with a thermoelectric generator is specified, which is thermally connected on a first side with a heat source and on a second side with a heat sink.
  • the thermoelectric device should further comprise means for limiting the temperature of the thermoelectric generator, which have a flat surfaces facing flat first chamber whose dimensions are adapted to that of the thermoelectric generator and which is at least largely filled with a fusible first working medium and the large area at their opposite surfaces is thermally connected to the heat source or the thermoelectric generator.
  • the first working medium should have a melting temperature that is below a critical temperature above which the thermoelectric generator permanently damaged.
  • the means for limiting the temperature to the present invention further comprise a mutually opposite surfaces having fla ⁇ che second chamber, whose dimensions are adapted to the thermoelectric generator, which is largely filled with an evaporable second working medium at least and the large surface area of their mutuallywining surfaces the first chamber and the thermoelectric generator is connected.
  • the means for limiting the temperature may have a pipe system connected to the second chamber, in which a recooler is integrated, which is located at a geodetically higher location than the second chamber and the piping system may be configured such that a gaseous portion of the second working medium from the second chamber unhindered to ascend to the recooler where it can be reliquefied.
  • the means for limiting the temperature may further be configured such that liquid and gaseous second working medium is caused to circulate by a thermosiphon effect, at least in parts of the second chamber and the piping ⁇ system.
  • the second working medium may further have a boiling temperature which is above the melting temperature of the first medium and below the critical Temperature above which the thermoelectric genes ⁇ rator is permanently damaged. If the temperature of the heat source rises above the melting point of the first medium, heat energy is initially stored in the first chamber filled with a fusible first working medium, due to the latent heat of the melting process. If the temperature of the heat source continues to rise, or remains at a Tempe ⁇ raturclude, which is above the melting temperature of the first medium, and the storage capacity of the first working medium is exhausted begins when reaching the
  • Boiling temperature of the second working medium to pass this in the gas ⁇ shaped state Due to the phase transition "liquid-solid" of the second working medium heat ⁇ energy is absorbed by the second working medium. Gaseous ges second working fluid may rise to a recooler, where it is reliquefied. In this way, excess heat is dissipated via the heat exchanger.
  • ther ⁇ moelekthari device has on the one hand via a heat accumulator and on the other via a device on the limitation of the appended maximum at the thermoelectric generator temperature to the boiling point of the second working medium in this manner, temperature fluctuations of the heat source may be prepared by melting and recrystallizing.
  • the first working medium can be buffered as well as the thermoelectric generator can be protected against overheating.
  • thermoelectric device according to the invention may additionally have the following features:
  • the first working medium can have a lower thermal conductivity in the liquid state than in a solid state. was standing.
  • Each physical component has its own specific thermal resistance. If the thermal resistance of the liquid phase of a Materi ⁇ be higher than the thermal resistance of the solid phase, so the thermal resistance of the corresponding material increases when exceeding the melting temperature. If such a material is used as the first working medium in a thermoelectric device, additional protection of the thermoelectric generator against overheating can be achieved.
  • the second working medium may have a melting temperature which corresponds essentially to a preferred operating temperature of the thermoelectric generator corresponds, wherein the working temperature below the kri ⁇ tables temperature above which the thermoelectric generator is damaged is located. Particularly advantageously be maintained at a working temperature opti ⁇ paint so the thermoelectric generator. Temperature fluctuations of the heat source can be buffered in this way ⁇ .
  • the heat source may be thermally connected or gebil ⁇ det by at least parts of the exhaust system with at least parts of an exhaust system of an internal combustion engine ⁇ .
  • a thermoelectric generator which is thermally connected to the exhaust system of an internal combustion engine, the exhaust heat
  • the heat sink may be thermally connected to at least parts of adesys ⁇ tems an internal combustion engine or may be formed by at least parts of the cooling system. To operate a thermoelectric generator, a heat source and a heat sink is needed.
  • Combustion engine typically has a cooling system and thus allows a heat sink for the thermoelectric generator to be easily and effectively removed. to provide.
  • the heat sink can be thermally connected to a surface to be cooled by a draft.
  • a to be cooled by a draft of air space provides a particularly simple, robust and inexpensive component to Availability checked ⁇ supply, which is useful as a heat sink.
  • the internal combustion engine may be part of a motor vehicle.
  • Today's motor vehicles require to operate ver ⁇ different electronic devices increasing amounts of electrical energy.
  • the use of the exhaust heat of the internal combustion engine of the motor vehicle reduces the Pri ⁇ märenergy concentrate the motor vehicle to cover the required electrical energy.
  • the first working medium may be a solder, which contains in particular lead, tellurium or bismuth elementary or as alloying partners.
  • a solder which contains one or more of the aforementioned elements, provides the desired for the first working medium physical properties and is also tested in the technical application.
  • the second working medium may be an oil, preferably a motor oil, having a boiling point between 100 0 C and 500 0 C, preferably with a boiling point between 200 0 C and 300 0 C, at a pressure of 2 to 5 bar.
  • the specified temperature ranges are particularly suitable for the operation of a thermoelectric generator.
  • the cooling water of a cooling system of a combustion engine has a maximum at the same time to ensure effective Energyausbeu ⁇ te by the appropriateness of the thermoelectric generator put difference in temperature to a temperature of about 100 0 C.
  • the hot side of the thermoelectric generator should be at a temperature of more than about 200 °.
  • the maximum load capacity of typical commercially available rer, thermoelectric generators is approximately 300 0 C.
  • Thermoelectric generators which are specifically designed for high ⁇ temperature applications, have maximum exposure temperatures of about 500 0 C. Since the boiling point of the second working medium defines the permitted maximum of the mean for temperature limiting temperature, is a boiling point in the angege ⁇ surrounded temperature ranges for a thermoelectric device is particularly advantageous.
  • thermoelectric device according to the invention with means for limiting the temperature are apparent from the claims not mentioned above and in particular from the drawing explained below, in which preferred embodiments of the thermoelectric device according to the invention are indicated. This show their
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a thermoelectric device with means for limiting the temperature
  • FIG. 2 shows the schematic structure of a thermoelectric
  • FIG. 3 shows the schematic course of the temperature of the thermoelectric generator of a thermoelectric device as a function of time
  • Figure 4 shows the schematic structure of a thermoelectric
  • thermoelectric thermoelectric
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a thermoelectric device according to a preferred embodiment. Its thermoelectric generator 212 is thermally connected to a heat sink 211 on a first side over a large area. The warm side of the thermoelectric generator 212 is thermally connected over a large area to a chamber 214, which is filled with a fusible first working medium 218. The first chamber 214 is in turn thermally connected to a heat source 217 over a large area.
  • the thermal connection between the above elements can preference, be realized by a likewise large-area mechanical Verbin ⁇ dung.
  • thermoelectric generator 212 Due to the heat source 217 and the heat sink 211, a temperature gradient is applied to the thermoelectric generator 212. At electrical terminals 213 of the thermoelectric generator 212, an electrical voltage can be tolerate ⁇ attacks.
  • thermoelectric device For purposes of explaining the operation of the thermoelectric device according to the preferred embodiment shown in Figure 1, it is assumed that the heat source has a temperature which varies in time by a suitable value for the operation of the thermoelectric generator.
  • thermo ⁇ electric generator 212 remains constant. In the following, the temperature of the heat source 217 drops below the
  • thermoelectric generator 212 delivered. In this way, a constant temperature gradient over the thermo ⁇ electric generator can be maintained.
  • FIG. 2 shows the structure of a thermoelectric device according to a further preferred exemplary embodiment known from FIG.
  • the means for limiting the temperature are here supplemented by a further chamber 221 filled with a liquid 222.
  • a pipe system 223 is connected, in which a recooler 224 is integrated.
  • the second chamber 221 and the pipe system 223 are preferably designed such that accumulating gas ⁇ shaped second working fluid 222 can rise unhindered to the rear ⁇ cooler 224, which is located at a geodetically higher position than the second chamber 221.
  • the gas ⁇ shaped portion of the second working medium 222 can be liquefied again to the recooler 224 and schwerkraftgetrie ⁇ ben return to the second chamber 221st Gaseous and liquid second working medium 222 may circulate at least in parts of the second chamber 221 and the piping system 223 due to a thermosiphon effect.
  • thermoelectric device illustrated in FIG. 2
  • the further mode of operation of the exemplary embodiment of the thermoelectric device illustrated in FIG. 2 is explained below with reference to the graph shown schematically in FIG. 2
  • FIG. 3 shows a schematic temperature profile of the temperature of the thermoelectric generator T TEG as a function of the time t.
  • a thermoelectric device according to the preferred embodiment shown in FIG. To explain the mode of operation, let assume a heat source which has a constantly high temperature, which is above the maximum permissible temperature for the thermoelectric generator 212 231.
  • the temperature of the thermoelectric generator T TEG initially increases at a certain heating rate according to the part of the graph labeled 234.
  • the melting temperature T L of first medium the heat emanating from the heat source for melting the first medium 218 located in the first chamber 214 is used.
  • the melting temperature T L of the first medium may correspond to a preferred operating temperature 232 of the thermoelectric generator 212.
  • the temperature of the thermoelectric generator see TEG T increases in accordance with a further 235 denote ⁇ th part of the graph.
  • the slope of the temperature rise in the part denoted 235 may be less than the slope of the part of the graph labeled 234.
  • the slower temperature rise is due to a relative to the fixed lower thermal phase Leitfä ⁇ ability of the liquid phase of the first medium 218th
  • thermoelectric generator 212 can be ensured.
  • thermoelectric generator TEG T With further increase in temperature, the temperature of the thermoelectric generator TEG T continues to rise until the Siedetempe ⁇ temperature T 5 of the second medium 222nd When the boiling temperature T 3 of the second medium 222 is reached, it passes into the gaseous phase. Gaseous second medium 222 may rise unhindered through the piping system 223 to the recooler 224, where it may be reliquefied. In this way, excess heat, which would otherwise contribute to a thermal load of the thermoelectric generator 212, are dissipated via the recooler 224. According to the described preferred embodiment of the thermoelectric device, as illustrated in FIG. 3, the maximum temperature T TEG applied to the thermoelectric generator 212 can not reach a critical value 231 from which the thermoelectric generator 212 could be destroyed.
  • FIG. 4 shows a further preferred exemplary embodiment of a thermoelectric device.
  • the well-known per se from Figure 1 structure is extended such that here the Wär ⁇ mettle 217 with parts of the exhaust system 242 of a Burn ⁇ drying machine 241 is connected.
  • the connection of the heat source 217 ⁇ with the exhaust system 242 of the engine 241 is particularly advantageous because typically, the exhaust gas of an internal combustion engine 241 can have 241 different temperatures depending on the load level of the internal combustion engine.
  • the temperature moderating effect of the first medium 218 in the first chamber 214 may be particularly advantageous in connection with a combustion machine.
  • FIG. 5 shows a further preferred exemplary embodiment of a thermoelectric device, the device known per se from FIG. 4 being expanded so that the heat sink 211 is connected to parts of the recooling system 251 of an internal combustion engine 241.
  • a Verbrennungsma ⁇ machine 241 typically has a cooling system 251.
  • This multi-powered water cooling system is at a temperature of about 100 0 C is a suitable, readily available heat sink 211 for operating a thermoelectric genera ⁇ tors 212th
  • the heat sink having at least parts of the oil cooling system of the internal combustion engine 241 verbun ⁇ be the.
  • the heat sink 211 may be thermally connected to a surface to be cooled by a draft of air 252.
  • thermoelectric device in a Motor vehicle to be used with internal combustion engine 241 A to be cooled by a draft surface 252 can in the ⁇ sem case z. B. be cooled by the wind of operating be ⁇ sensitive motor vehicle.

Landscapes

  • Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
  • Lubrication Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Control Of Temperature (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Die thermoelektrische Einrichtung enthält einen thermoelektrischen Generator (212), welcher auf einer ersten Seite mit einer Wärmequelle (217) und auf einer zweiten Seite mit einer Wärmesenke (211) thermisch verbunden ist. Die thermoelektrische Einrichtung weist ferner Mittel zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator (212) auf. Diese Mittel umfassen eine mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium (218) gefüllte erste Kammer (214), die großflächig mit der Wärmequelle (217) bzw. einer mit einem verdampfbaren zweiten Arbeitsmedium (222) ausgefüllten zweiten Kammer (221) verbunden ist. Diese zweite Kammer (221) ist auf ihrer der ersten Kammer (214) abgewandten Seite mit dem thermoelektrischen Generator (212) verbunden. Die Arbeitsmedien (218, 222) weisen eine vorbestimmte Schmelztemperatur (T<SUB>L</SUB>) bzw. Siedetemperatur (T<SUB>S</SUB>) auf, um einen dauerhaften Schaden des thermoelektrischen Generators (212) zu verhindern. Die thermoelektrische Einrichtung ist insbesondere für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmaschine geeignet.

Description

Beschreibung
Einrichtung der Thermoelektrik mit einem thermoelektrischen Generator und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Genera- tor
Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Ein¬ richtung a) mit einem thermoelektrischen Generator, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, wobei der thermoelektrische Genera¬ tor auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle und auf ei¬ ner zweiten Seite mit der Wärmesenke thermisch verbunden ist, und b) mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator, die eine erste flache, sich gegenüberlie¬ gende Flächen aufweisende Kammer umfassen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst ist, wobei die erste Kammer mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist, das eine Schmelz¬ temperatur TL aufweist, die unterhalb einer kritischen Tempe¬ ratur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt.
Ein solcher thermoelektrischer Generator geht aus der EP 1 522 685 Al hervor.
Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit Hilfe eines so genannten thermoelektrischen Generators möglich. Ein thermoelektrischer Generator ist ein Bauteil aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Materialien, vorzugsweise zwei verschiedenen oder verschieden dotierten Halbleitern, welches aufgrund des Seebeck-Effektes eine elektri- sehe Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstellen der unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Temperaturen haben. Der Seebeck-Effekt beschreibt die Entstehung einer elektri¬ schen Spannung in einem elektrischen Leiter entlang eines Temperaturgradienten, bedingt durch Thermodiffusionsströme . Um den Seebeck-Effekt technisch nutzen zu können, ist es nö- tig, zwei verschiedene elektrische Leiter mit unterschiedli¬ cher elektronischer Wärmekapazität miteinander in Kontakt zu bringen. Aufgrund der unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazität haben bei gleicher Temperatur die Elektronen in den beiden Leitern unterschiedliche Bewegungsenergien. Bringt man diese Leiter miteinander in Kontakt, so wird ein Diffusions¬ strom höherenergetischer Elektronen in Richtung des Leiters mit den niederenergetischen Elektronen entstehen, so lange, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt. Seien diese beiden unterschiedlichen Leiter mit A und B bezeichnet und in der Reihenfolge A-B-A in Kontakt gebracht, und befinden sich ferner der Übergang A-B auf einer Temperatur Ti und der Übergang B-A auf einer Temperatur T2, so ist die entstehende Spannung lediglich von der Differenz der Temperaturen Ti und T2 sowie dem jeweiligen Seebeck-Koeffizienten der beiden Lei- ter A und B abhängig. Folglich ist eine an einem thermoelekt- rischen Generator abgreifbare Spannung lediglich von der an den thermischen Generator angelegten Temperaturdifferenz und den Seebeck-Koeffizienten der verwendeten Materialien abhängig.
Im Prinzip kann ein thermoelektrischer Generator analog zu einem Peltier-Element aufgebaut sein. Auch können für einen thermoelektrischen Generator gleiche oder ähnliche Materialien wie zur Herstellung von Peltier-Elementen, wie z. B. Wismut-Tellurit oder Silicium-Germanium, verwendet werden.
Durch den Einsatz von Halbleitermaterialien lässt sich der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators für die Um¬ wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bis auf einige Prozent steigern. In letzter Zeit werden thermoelekt- rische Generatoren verstärkt zur Nutzung der Abgas-Abwärme, z. B. bei Kraftfahrzeugen, Blockheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen, eingesetzt. DE 33 14 166 Al offenbart ein thermoelektrisches System mit einem hohen Wirkungsgrad. Ausgehend von einem heißen Fluid- strom, z. B. einem Abgasstrom, werden mit Rippen, zur besse- ren thermischen Anbindung, versehene Wärmeleitungsrohre ein¬ seitig erhitzt. Die von dem Fluidstrom erhitzten Wärmelei¬ tungsrohre leiten die Wärme an die thermoelektrischen Genera¬ toren, welche an der gegenüber liegenden Seite der Wärmeleitungsrohre montiert sind und als Wärmesenke fungieren. Die Wärmeleitungsrohre sind zur Verbesserung ihrer Wärmeleitfä¬ higkeit mit einem Arbeitsfluid gefüllt, welches am heißen Teil der Wärmeleitungsrohre verdampft und an dem etwas kälte¬ ren Teil, an welchem die thermoelektrischen Generatoren angeordnet sind, rekondensiert. Mit Hilfe des in DE 33 14 166 Al offenbarten thermoelektrischen Systems kann eine besonders effektive Wärmeankopplung von thermoelektrischen Generatoren z. B. an einen Abgasstrom erreicht werden. Das offenbarte System ist insbesondere für den Einsatz im Hochtemperaturbe¬ reich, bei Arbeitstemperaturen von mehr als 4000C geeignet.
US 4 125 122 A offenbart eine Methode und Vorrichtung zur thermoelektrischen Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Die offenbarte Vorrichtung ist als Wärmetauscher konzipiert, welcher nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Die in US 4 125 122 A offenbarte Vorrichtung sieht zwei voneinander getrennte Kreisläufe vor, in denen Medien zur Wärmeübertra¬ gung zirkulieren. Ein erstes Medium transportiert Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Mindestens ein erstes Wärmeleitungsrohr steht in thermischem Kontakt mit der heißen Strömung des ersten Mediums; mindestens ein zweites Wärmelei¬ tungsrohr steht in thermischem Kontakt mit der kälteren Strömung des ersten Mediums. Thermoelektrische Generatoren befin¬ den sich in thermischem Kontakt sowohl mit einem der heißen wie auch mit einem der kälteren Wärmeleitungsrohre. Innerhalb der Wärmeleitungsrohre zirkuliert ein zweites Medium in einem zweiten, durch einen Thermosiphoneffekt angetriebenen Kreislauf. Bei demjenigen Wärmeleitungsrohr, welches sich in thermischem Kontakt mit der heißen Strömung des ersten Mediums befindet, zirkuliert das sich innerhalb des Wärmeleitungsroh¬ res befindliche zweite Medium gasförmig von einem heißen, in thermischem Kontakt mit dem ersten Medium befindlichen Ende des Wärmeleitungsrohres zu einem kälteren, in thermischem Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator befindlichen Ende. An diesem Ende, welches sich in thermischem Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator befindet, kondensiert das gasförmige zweite Medium und gibt auf diese Weise die Konden¬ sationswärme an den thermoelektrischen Generator ab. Das zweite Medium gelangt in flüssiger Phase zurück an das erste Ende des Wärmeleitungsrohres, um erneut verdampft zu werden.
In dem Wärmeleitungsrohr, welches sich in thermischem Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators befin- det, erfolgt eine Zirkulation des zweiten Mediums, in dem es der, in thermischem Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators stehenden Seite des Wärmeleitungsrohres verdampft, und an der (noch) kälteren Seite des Wärmelei¬ tungsrohres, welche in Kontakt mit dem ersten Medium steht, kondensiert.
Sowohl das in DE 33 14 166 Al wie auch das in US 4 125 122 A offenbarte thermoelektrischen System verfolgt das Ziel einer möglichst effektiven und verlustfreien thermischen Ankopplung der thermoelektrischen Generatoren an ein heißes Arbeitsflu- id. Bei diesen Systemen besteht jedoch die Gefahr, dass ihre thermoelektrischen Generatoren zu hohen Temperaturen ausgesetzt werden und deshalb Schaden nehmen können.
Eine weitere thermoelektrische Einrichtung mit einem thermo¬ elektrischen Generator und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Generator ist der US 3,881,962 zu entnehmen. Bei dieser Einrichtung ist ein mit einem verdampfbaren Arbeitsmedium gefülltes kammerartiges Rohrleitungssystem vorhanden, das sich zwischen einem als Wärmequelle anzusehenden Erhitzungsbereich und einem als Wärmesenke anzusehenden Kondensor verläuft. Zu einer eine Schädigung ausschließende Temperaturbe¬ grenzung an einem thermoelektrischen Modul ist dieses von dem Kondensor räumlich getrennt angeordnet. Außerdem ist an den Kondensorraum zusätzlich eine Rohrleitung angeschlossen, die zu einem geodätisch höher liegenden Druckventil führt, mit dessen Hilfe der Druck des Arbeitsmediums und damit der ther- mische Fluss von dem Erhitzungsbereich zu dem Kondensor begrenzt werden kann. Eine derartige Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Modul ist konstruktiv aufwendig.
Eine weitere thermoelektrische Einrichtung mit zwei thermo- elektrischen Generatoren, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke geht auch aus der JP 2003-219 671 A hervor. Es kommen zwei Arbeitmedien mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zum Einsatz .
Auch bei einem Energiegewinnungssystem mit einem thermoelektrischen Generator für Hybrid-Automobile, wie es der WO 2004/092662 Al zu entnehmen ist, werden zwei Arbeitsmedien verwendet. Eines der Arbeitsmedien dient dabei zur Kühlung einer Wärmesenke, während das andere Arbeitsmedium mit einer Wärmequelle des Automobils verbunden ist.
EP 1 615 274 A2 offenbart einen thermoelektrischen Konversionsmodul zur Energiegewinnung, bei dem ebenfalls eine Tempe¬ raturdifferenz ausgenutzt wird. Dabei werden thermoelektri- sehe Halbleiterelemente und Elektroden zwischen einer Kühlplatte und einer Heizplatte angeordnet.
Aus der JP 2000-35824 A ist ein thermoelektrischer Generator für die Verbrennungsmaschine eines Kraftfahrzeugs zu entneh- men, bei dem eine Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator unter Verwendung eines deformierbaren Bimetallelementes erfolgt.
WO 80/01438 offenbart einen thermoelektrischen Generator, bei dem zwei verschiedene Materialien mit thermoelektrischen Eigenschaften zum Einsatz kommen. Das aus der eingangs genannten EP 1 522 685 Al entnehmbare System zur Abgaskontrolle eines Automobils mit einem thermo- elektrischen Generator und mit Mitteln zu einer Temperaturbegrenzung weist die eingangs genannten Merkmale aus. Hierbei lassen sich verschieden Arbeitsmedien wie Öl zum Wärmetransport von einem Abgassystem als Wärmequelle zu dem thermo- elektrischen Generator verwenden. Eine mit den Temperaturverhältnissen veränderbare Wärmekontaktfläche zu dem thermo- elektrischen Generator, insbesondere unter Verwendung eines schmelzbaren Lotmaterials, führt zu einer Temperaturbegrenzung an dem Generator.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoelek- trische Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen an- zugeben, bei der eine gute Anpassung an die jeweiligen Temperaturverhältnisse derart ermöglicht wird, dass dann die ge¬ nannte Gefahr einer unzulässigen Überhitzung nicht besteht.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnah- men gelöst. Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, die latente Wärme eines Phasenübergangs zum Schutz eines thermoelektrischen Generators vor Überhitzungen auszunutzen. Erfindungsgemäß soll eine thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator angegeben werden, welcher auf einer ersten Seite mit einer Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit einer Wärmesenke thermisch verbunden ist. Die thermoelektrische Einrichtung soll weiterhin Mittel zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator aufweisen, die eine sich gegenüberliegende Flächen aufweisende flache erste Kammer aufweisen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sind und die mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist und die großflächig an ihren sich gegenüberliegenden Flächen thermisch mit der Wärmequelle bzw. dem thermoelektrischen Generator verbunden ist. Das erste Arbeitsmedium soll eine Schmelztemperatur aufweisen, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt. Die mit dieser Ausgestaltung der thermoelektrischen Einrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei einer steigenden Temperatur der Wärmequelle der thermoelekt- rische Generator vor thermischer Zerstörung geschützt wird. Erreicht die Wärmequelle die Schmelztemperatur des ersten Ar¬ beitsmediums, wird Wärmeenergie für ein Aufschmelzen des ers¬ ten Arbeitsmediums verwendet. Weiterhin vorteilhaft kann bei einem späteren Absinken der Temperatur der Wärmequelle die Schmelzwärme wieder an den thermoelektrischen Generator abge- geben werden. Auf diese Weise kann der thermoelektrische Ge¬ nerator auf einer durch die Schmelztemperatur des ersten Arbeitsmediums definierten Temperatur gehalten werden. Temperaturschwankungen der Wärmequelle können in dem Umfang, wie die Speicherkapazität des schmelzbaren ersten Arbeitsmediums aus- reichend ist, abgefangen werden.
Die Mittel zur Temperaturbegrenzung sollen erfindungsgemäß außerdem eine sich gegenüberliegende Flächen aufweisende fla¬ che zweite Kammer aufweisen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sind, die mit einem verdampfbaren zweiten Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist und die großflächig an ihren sich gegenüberlie¬ genden Flächen mit der ersten Kammer und dem thermoelektrischen Generator verbunden ist. Weiterhin können die Mittel zur Temperaturbegrenzung ein mit der zweiten Kammer verbundenes Rohrleitungssystem aufweisen, in das ein Rückkühler integriert ist, der sich an einem geodätisch höher gelegenen Ort als die zweite Kammer befindet und das Rohrleitungssystem kann derart ausgestaltet sein, dass ein gasförmiger Anteil des zweiten Arbeitsmediums von der zweiten Kammer ungehindert zu dem Rückkühler aufsteigen kann, wo es rückverflüssigt werden kann. Die Mittel zur Temperaturbegrenzung können ferner derart ausgestaltet sein, dass flüssiges und gasförmiges zweites Arbeitsmedium bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zumindest in Teilen der zweiten Kammer und des Rohrleitungs¬ systems zirkulieren kann. Das zweite Arbeitsmedium kann ferner eine Siedetemperatur aufweisen, die oberhalb der Schmelztemperatur des ersten Mediums und unterhalb der kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Gene¬ rator dauerhaft Schaden nimmt. Steigt die Temperatur der Wärmequelle über den Schmelzpunkt des ersten Mediums an, wird zunächst Wärmeenergie, bedingt durch die latente Wärme des Schmelzvorgangs, in der ersten mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium gefüllten Kammer gespeichert. Falls die Temperatur der Wärmequelle weiterhin steigt, oder auf einem Tempe¬ raturniveau verharrt, welches überhalb der Schmelztemperatur des ersten Mediums liegt, und die Speicherkapazität des ers- ten Arbeitsmediums erschöpft ist, beginnt bei Erreichen der
Siedetemperatur des zweiten Arbeitsmediums dieses in den gas¬ förmigen Zustand überzugehen. Bedingt durch den Phasenübergang „flüssig-fest" des zweiten Arbeitsmediums wird Wärme¬ energie von dem zweiten Arbeitsmedium aufgenommen. Gasförmi- ges zweites Arbeitsmedium kann zu einem Rückkühler aufsteigen, an dem es rückverflüssigt wird. Auf diese Weise wird überschüssige Wärme über den Rückkühler abgeführt. Die ther¬ moelektrische Einrichtung verfügt somit zum einen über einen Wärmespeicher und zum anderen über eine Einrichtung zur Be- grenzung der maximal an dem thermoelektrischen Generator anliegenden Temperatur auf den Siedepunkt des zweiten Arbeitsmediums. Auf diese Weise können sowohl Temperaturschwankungen der Wärmequelle durch ein Aufschmelzen und Rekristallisieren des ersten Arbeitsmediums abgepuffert werden als auch kann der thermoelektrische Generator vor Überhitzung geschützt werden .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhän- gigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach diesem Anspruch mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die thermoelektrische Ein¬ richtung nach der Erfindung noch zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
- Das erste Arbeitsmedium kann in flüssigem Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in festem Zu- stand. Jedes physikalische Bauteil besitzt einen ihm eigenen spezifischen thermischen Widerstand. Liegt der thermische Widerstand der flüssigen Phase eines Materi¬ als höher als der thermische Widerstand der festen Pha- se, so steigt bei Überschreiten der Schmelztemperatur der thermische Widerstand des entsprechenden Materials an. Wird ein solches Material als erstes Arbeitsmedium in einer thermoelektrischen Einrichtung verwendet, so kann ein zusätzlicher Schutz des thermoelektrischen Ge- nerators vor einer Überhitzung erreicht werden.
- Das zweite Arbeitsmedium kann eine Schmelztemperatur aufweisen, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Generators ent- spricht, wobei die Arbeitstemperatur unterhalb der kri¬ tischen Temperatur, oberhalb derer der thermoelektrische Generator Schaden nimmt, liegt. Besonders vorteilhaft kann so der thermoelektrische Generator auf einer opti¬ malen Arbeitstemperatur gehalten werden. Temperatur- Schwankungen der Wärmequelle können auf diese Weise ab¬ gepuffert werden.
- Die Wärmequelle kann zumindest mit Teilen eines Abgas¬ systems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Abgassystems gebil¬ det sein. Durch den Einsatz eines thermoelektrischen Generators, welcher thermisch mit dem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine verbunden ist, kann die Abgaswärme
- einer solchen Verbrennungsmaschine genutzt werden.
- Die Wärmesenke kann zumindest mit Teilen eines Kühlsys¬ tems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Kühlsystems gebildet sein. Zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators ist eine Wärmequelle und eine Wärmesenke nötig. Eine
Verbrennungsmaschine weist typischerweise ein Kühlsystem auf und erlaubt auf diese Weise, einfach und effektiv eine Wärmesenke für den thermoelektrischen Generator be- reitzustellen .
- Die Wärmesenke kann mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche thermisch verbunden sein. Eine durch einen Luftzug zu kühlende Fläche stellt ein besonders einfaches, robustes und preiswertes Bauteil zur Verfü¬ gung, welches als Wärmesenke verwendbar ist.
- Die Verbrennungsmaschine kann Teil eines Kraftfahrzeugs sein. Heutige Kraftfahrzeuge benötigen zum Betrieb ver¬ schiedener elektronischer Einrichtungen steigende Mengen elektrischer Energie. Die Nutzung der Abgaswärme der Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs senkt den Pri¬ märenergiebedarf des Kraftfahrzeugs zur Deckung der be- nötigten elektrischen Energie.
- Das erste Arbeitsmedium kann ein Lot sein, welches insbesondere Blei, Tellur oder Wismut elementar oder als Legierungspartner enthält. Ein Lot, welches eines oder mehrere der vorgenannten Elemente enthält, liefert die für das erste Arbeitsmedium gewünschten physikalischen Eigenschaften und ist zudem in der technischen Anwendung erprobt .
- Das zweite Arbeitsmedium kann ein Öl, vorzugsweise ein Motorenöl, mit einer Siedetemperatur zwischen 1000C und 5000C, vorzugsweise mit einer Siedetemperatur zwischen 2000C und 3000C, bei einem Druck von 2 bis 5 bar sein. Die angegebenen Temperaturbereiche sind zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators besonders geeignet. Typischerweise besitzt das Kühlwasser eines Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine maximal eine Temperatur von ca. 1000C. Um gleichzeitig eine effektive Energieausbeu¬ te durch die an den thermoelektrischen Generator ange- legte Temperaturdifferenz zu gewährleisten, sollte sich die warme Seite des thermoelektrischen Generators auf einer Temperatur von mehr als ca. 200° befinden. Die maximale Belastbarkeit typischer kommerziell gut verfügba- rer, thermoelektrischer Generatoren beträgt ca. 3000C. Thermoelektrische Generatoren, welche speziell für Hoch¬ temperaturanwendungen ausgelegt sind, verfügen über maximale Belastungstemperaturen von etwa 5000C. Da die Siedetemperatur des zweiten Arbeitsmediums die maximal von den mittleren zur Temperaturbegrenzung zugelassene Temperatur definiert, ist ein Siedepunkt in den angege¬ benen Temperaturbereichen für eine thermoelektrische Einrichtung besonders vorteilhaft.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Ansprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor, in der bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung angedeutet sind. Dabei zeigen deren
Figur 1 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung,
Figur 2 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen
Einrichtung, wobei die Mittel zur Temperaturbegrenzung um eine zweite, mit einem zweiten flüssigen Arbeitsmedium gefüllte Kammer ergänzt sind, Figur 3 den schematischen Verlauf der Temperatur des thermoelektrischen Generators einer thermoelektrischen Einrichtung als zeitliche Funktion, Figur 4 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen
Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen des Ab- gassystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist, und Figur 5 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen
Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen eines Abgassystems verbunden ist und die Wärmesenke mit Teilen des Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist. Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit den¬ selben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemein bekannt.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer thermoelektri- schen Einrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Ihr thermoelektrischer Generator 212 ist großflächig auf einer ersten Seite thermisch mit einer Wärmesenke 211 verbunden ist. Die warme Seite des thermoelektrischen Genera- tors 212 ist großflächig thermisch mit einer Kammer 214 verbunden, die mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium 218 gefüllten ist. Die erste Kammer 214 ist wiederum großflächig thermisch mit einer Wärmequelle 217 verbunden. Die thermische Verbindung zwischen den vorgenannten Elementen kann vorzugs- weise durch eine ebenfalls großflächige mechanische Verbin¬ dung realisiert sein.
Bedingt durch die Wärmequelle 217 und die Wärmesenke 211 liegt an dem thermoelektrischen Generator 212 ein Temperatur- gefalle an. An elektrischen Anschlüssen 213 des thermoelektrischen Generators 212 kann eine elektrische Spannung abge¬ griffen werden.
Zu Zwecken der Erläuterung der Funktionsweise der thermo- elektrischen Einrichtung gemäß dem in Figur 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel sei davon ausgegangen, dass die Wärmequelle eine Temperatur aufweise, welche zeitlich um einen für den Betrieb des thermoelektrischen Generators geeigneten Wert schwanke.
Steigt die Temperatur der Wärmequelle über die Schmelztempe¬ ratur TL des ersten Arbeitsmediums 218, so wird dieses zumin¬ dest teilweise aufgeschmolzen. Die Temperatur des thermo¬ elektrischen Generators 212 bleibt dabei konstant. Sinkt im Folgenden die Temperatur der Wärmequelle 217 unter die
Schmelztemperatur des ersten Arbeitsmediums 218, so wird sich flüssiges erstes Arbeitsmedium 218 wieder verfestigen. Die Erstarrungswärme wird in diesem Fall zumindest teilweise an den thermoelektrischen Generator 212 abgegeben. Auf diese Weise kann ein konstantes Temperaturgefälle über den thermo¬ elektrischen Generator aufrechterhalten werden.
Figur 2 zeigt den an sich aus Figur 1 bekannten Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die Mittel zur Temperaturbegrenzung sind hier um eine weitere, mit einer Flüssigkeit 222 gefüllte Kammer 221 ergänzt. An diese Kammer ist ein Rohrleitungssys- tem 223 angeschlossen, in welches ein Rückkühler 224 integriert ist. Die zweite Kammer 221 sowie das Rohrsystem 223 sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass anfallendes gas¬ förmiges zweites Arbeitsmedium 222 ungehindert zu dem Rück¬ kühler 224 aufsteigen kann, der sich an einer geodätisch hö- heren Position als die zweite Kammer 221 befindet. Der gas¬ förmige Anteil des zweiten Arbeitsmediums 222 kann an dem Rückkühler 224 rückverflüssigt werden und schwerkraftgetrie¬ ben zurück in die zweite Kammer 221 gelangen. Gasförmiges und flüssiges zweites Arbeitsmedium 222 können zumindest in Tei- len der zweiten Kammer 221 und des Rohrleitungssystems 223, bedingt durch einen Thermosiphoneffekt , zirkulieren.
Die weitere Funktionsweise des in Figur 2 dargestellten Aus¬ führungsbeispiels der thermoelektrischen Einrichtung wird im Folgenden anhand des in Figur 3 schematisch dargestellten Graphen erläutert
Figur 3 zeigt einen schematischen Temperaturverlauf der Temperatur des thermoelektrischen Generators TTEG als Funktion der Zeit t. Es sei eine thermoelektrische Einrichtung gemäß dem in Figur 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel angenommen. Zur Erläuterung der Funktionsweise, von sei einer Wärmequelle ausgegangen, welche eine konstant hohe Temperatur aufweist, die oberhalb der maximal für den thermoelektrischen Generator 212 zulässigen Temperatur 231 liegt. Die Temperatur des thermoelektrischen Generators TTEG steigt zunächst mit einer gewissen Heizrate gemäß dem mit 234 bezeichneten Teil des Graphen an. Bei Erreichen der Schmelztemperatur TL des ersten Mediums wird die von der Wärmequelle ausgehende Wärme zum Aufschmelzen des sich in der ersten Kammer 214 befindlichen ersten Mediums 218 verwendet. Vorzugsweise kann die Schmelztemperatur TL des ersten Mediums einer bevorzugten Ar- beitstemperatur 232 des thermoelektrischen Generators 212 entsprechen .
Nachdem das erste Medium 218 vollständig in die flüssige Pha¬ se übergegangen ist, steigt die Temperatur des thermoelektri- sehen Generators TTEG gemäß einem weiteren, mit 235 bezeichne¬ ten Teil des Graphen an. Die Steigung des Temperaturanstieges in dem mit 235 bezeichneten Teil kann insbesondere geringer als die Steigung des mit 234 bezeichneten Teils des Graphen sein. Der verlangsamte Temperaturanstieg ist bedingt durch eine gegenüber der festen Phase geringere thermische Leitfä¬ higkeit der flüssigen Phase des ersten Mediums 218.
Insbesondere vorteilhaft kann durch den Einsatz eines derar¬ tigen Mediums, bei dem die flüssige Phase eine geringere thermische Leitfähigkeit aufweist als die feste Phase, der thermische Widerstand der Kammer 214, nach dem das Medium 218 vollständig aufgeschmolzen ist, gesteigert werden und somit ein zusätzlicher thermischer Schutz des thermoelektrischen Generators 212 gewährleistet werden.
Mit weiterer Zunahme der Temperatur steigt die Temperatur des thermoelektrischen Generators TTEG weiter bis zur Siedetempe¬ ratur T5 des zweiten Mediums 222 an. Bei Erreichen der Siedetemperatur T3 des zweiten Mediums 222 geht dieses in die gas- förmige Phase über. Gasförmiges zweites Medium 222 kann unge¬ hindert durch das Rohrleitungssystem 223 bis zu dem Rückkühler 224 aufsteigen, an dem es rückverflüssigt werden kann. Auf diese Weise kann überschüssige Wärme, welche sonst zu einer thermischen Belastung des thermoelektrischen Generators 212 beitragen würde, über den Rückkühler 224 abgeführt werden . Gemäß dem beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Einrichtung kann, wie in Figur 3 illustriert, die maximal an dem thermoelektrischen Generator 212 anliegende Temperatur TTEG einen kritischen Wert 231, ab dem der thermoelektrische Generator 212 zerstört werden könnte, nicht erreichen.
Figur 4 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung. Der an sich aus Figur 1 bekannte Aufbau ist dahingehend erweitert, dass hier die Wär¬ mequelle 217 mit Teilen des Abgassystems 242 einer Verbren¬ nungsmaschine 241 verbunden ist. Die Verbindung der Wärme¬ quelle 217 mit dem Abgassystem 242 der Verbrennungsmaschine 241 ist insbesondere dahingehend vorteilhaft, da typischer- weise das Abgas einer Verbrennungsmaschine 241 abhängig von dem Belastungsgrad der Verbrennungsmaschine 241 verschiedene Temperaturen aufweisen kann. Die temperaturmoderierende Wirkung des ersten Mediums 218 in der ersten Kammer 214 kann besonders vorteilhaft in der Verbindung mit einer Verbrennungs- maschine sein.
Figur 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die an sich aus Figur 4 bekannte Einrichtung dahingehend erweitert ist, dass die Wärmesenke 211 mit Teilen des Rückkühlsystems 251 einer Verbrennungsmaschine 241 verbunden ist. Eine Verbrennungsma¬ schine 241 verfügt typischerweise über ein Kühlsystem 251. Dieses vielfach mit Wasser betriebene Kühlsystem stellt mit einer Temperatur von ca. 1000C eine geeignete, gut verfügbare Wärmesenke 211 zum Betrieb eines thermoelektrischen Genera¬ tors 212 dar. Weiterhin kann die Wärmesenke mit zumindest Teilen des Ölkühlsystems der Verbrennungsmaschine 241 verbun¬ den sein. Zusätzlich oder auch ausschließlich kann die Wärmesenke 211 mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche 252 thermisch verbunden sein.
Gemäß einem weiteren, nicht näher ausgeführten Ausführungsbeispiel kann die thermoelektrische Einrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmaschine 241 verwendet werden Eine durch einen Luftzug zu kühlende Fläche 252 kann in die¬ sem Fall z. B. durch den Fahrtwind des sich in Betrieb be¬ findlichen Kraftfahrzeugs gekühlt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Thermoelektrische Einrichtung a) mit einem thermoelektrischen Generator (212), einer Wärmequelle (217) und einer Wärmesenke (211), wobei der thermoelektrische Generator (212) auf einer ers¬ ten Seite mit der Wärmequelle (217) und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke (211) thermisch verbunden ist, und b) mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator (212), die eine erste und eine zweite, jeweils flache, sich gegenüberliegende Flä¬ chen aufweisende Kammer (214, 221) umfassen, deren Abmessungen jeweils an die des thermoelektrischen Generators (212) angepasst sind, wobei bl) die erste Kammer (214)
- mit einem schmelzbaren ersten Arbeitsmedium (218) zumindest weitgehend ausgefüllt ist und
- mit der einen der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der Wärmequelle (217) und mit der anderen der sich gegenüberliegenden Flächen groß- flächig mit einer Fläche der zweiten Kammer (221) verbunden ist, und wobei b2) die zweite Kammer (221)
- mit einem verdampfbaren zweiten Arbeitsmedium (222) zumindest weitgehend ausgefüllt ist,
- an ihrer der ersten Kammer (214) abgewandten Fläche großflächig mit dem thermoelektrischen Generator (212) verbunden ist, und - mit einem Rohrleitungssystem (223) verbunden ist, in das ein Rückkühler (224) integriert ist, der sich an einem geodätisch höher gelegenen Ort als die zweite Kammer (221) befindet, und das derart ausgestaltet ist, dass ein gasförmiger Anteil des zweiten Arbeitsmediums (222) von der zweiten Kammer (221) ungehindert zu dem Rückkühler (224) aufsteigen kann, wo es rückverflüssigt werden kann, wobei c) die zweite Kammer (221) und das Rohrleitungssystem (223) derart ausgestaltet sind, dass flüssiges und gasförmiges zweites Arbeitsmedium (222) bedingt durch einen Thermosi- phoneffekt zumindest in Teilen der zweiten Kammer (221) und des Rohrleitungssystems (223) zirkulieren kann, und wobei d) das erste Arbeitsmedium (218) eine Schmelztemperatur (TL) aufweist, die unterhalb einer kritischen Temperatur (231) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (212) dauerhaft Schaden nimmt, und das zweite Arbeitsme¬ dium (222) eine Siedetemperatur (T3) aufweist, die ober¬ halb der Schmelztemperatur (TL) des ersten Arbeitsmediums (218) und unterhalb der kritischen Temperatur (231) liegt .
2. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium (218) in flüssi¬ gem Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in festem Zustand.
3. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, da¬ durch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsmedium (218) eine Schmelztemperatur (TL) aufweist, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur (232) des thermoelektri- sehen Generators (212) entspricht, wobei die Arbeitstempera¬ tur (232) unterhalb der kritischen Temperatur (231) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (212) dauerhaft Schaden nimmt.
4. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (217) zumindest mit Teilen eines Abgassystems (242) einer Verbren- nungsmaschine (241) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Abgassystems (242) gebildet ist.
5. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (211) zumindest mit Teilen eines Kühlsystems (251) der Verbren¬ nungsmaschine (241) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Kühlsystems (251) gebildet ist.
6. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (211) mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche (252) thermisch verbunden ist.
7. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsma¬ schine (241) Teil eines Kraftfahrzeugs ist.
8. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Arbeitsme¬ dium (218) ein Lot ist.
9. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot Blei, Tellur oder Wismut elemen- tar oder als Legierungspartner enthält.
10. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsmedium
(222) ein Öl, vorzugsweise ein Motorenöl, mit einer Siedetem- peratur zwischen 1000C und 5000C bei einem Druck zwischen 2 und 5 bar ist.
11. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das als zweites Arbeitsmedium (222) vor- gesehene Öl eine Siedetemperatur zwischen 2000C und 3000C bei einem Druck zwischen 2 bar und 5 bar aufweist.
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