WO2011054589A1 - Thermoelektrischer generator und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

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WO2011054589A1
WO2011054589A1 PCT/EP2010/063886 EP2010063886W WO2011054589A1 WO 2011054589 A1 WO2011054589 A1 WO 2011054589A1 EP 2010063886 W EP2010063886 W EP 2010063886W WO 2011054589 A1 WO2011054589 A1 WO 2011054589A1
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WO
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heat exchanger
thermoelectric
exchanger element
encapsulation
thermoelectric module
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/063886
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joerg Offterdinger
Miroslaw Brzoza
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Definitions

  • the invention relates to a thermoelectric generator and a method for its production.
  • thermoelectric element is a component of two different thermoelectric materials, once of the p-type and once of the n-type, which are arranged alternately and are each connected to one another in an electrically conductive manner. If the joint and the free ends of the two thermoelectric materials have a temperature difference along the materials, an electric voltage is generated due to the Seebeck effect.
  • a plurality of thermoelectric elements can be arranged together in a module electrically in series and thermally connected in parallel. Semiconductor materials are usually used for the direct conversion of heat into electrical energy.
  • thermoelectric generators that can replace, for example, the alternator and thus could contribute significantly to fuel economy and reduction of carbon dioxide emissions.
  • the use of thermoelectric generators to use the waste heat of the exhaust gas is one great challenge because of the challenging and unfavorable conditions prevailing here.
  • a heat exchanger which converts a part of the output via the exhaust gas of an internal combustion engine by means of a thermoelectric generator, which uses the exhaust gas as heat source and the ambient air as a heat sink, into electrical power.
  • This heat exchanger has a heat exchanger housing in which a plurality of exhaust-carrying tubes and transversely extending air-carrying tubes are arranged.
  • the tubes are preferably designed as flat tubes.
  • the cooling air flow takes place in crossflow to the exhaust-carrying channels.
  • the exhaust pipes of the heat exchanger are thermally connected to individual heat receiving elements of the thermoelectric generator elements.
  • the air-carrying pipes are connected to the heat-emitting elements of the individual integrated in the heat exchanger thermoelectric generator elements.
  • thermoelectric generator comprising at least one heat exchanger element and at least one thermoelectric module
  • thermoelectric module has an encapsulation and the thermoelectric module is connected to the heat exchanger element such that it is inserted with the encapsulation in a receptacle of the heat exchanger element.
  • thermoelectric module Under the encapsulation of the thermoelectric module according to the invention a housing understood in the interior of a thermoelectric module is arranged. Expediently, connection elements of the thermoelectric module, at which the generated electrical power can be tapped off, can be led out of the encapsulation in an electrically insulated manner.
  • the encapsulation may be composed, for example, of two trough-shaped components circumferentially tight. These trough-like components of the encapsulation can each have a circumferential planar region as a joining surface, which can preferably be set flush with one another. Thus, an improved tight connection of the trough-like components can be made possible.
  • the construction Parts of the enclosure can be, for example, materially connected by soldering, welding or gluing or form-fitting releasably or non-detachably sealed together.
  • encapsulating the thermoelectric modules can be protected against adverse conditions, such as mechanical stress, such as vibration or contamination by particles.
  • the encapsulated thermoelectric modules can be installed and integrated in standard heat exchangers with only minor adjustments.
  • thermoelectric module with the heat exchanger element may preferably be inserted precisely fitting in a receptacle of the heat exchanger element.
  • the respective receptacle of the heat exchanger and the encapsulation of the thermoelectric module can be matched in shape exactly to one another.
  • the enclosure may include one or more support members, for example a circumferential planar collar, which projects beyond the receptacle and can be connected to a top surface in an overlap region around the receptacle of the heat exchanger element.
  • the receptacle of the heat exchanger can also be made somewhat larger, so that after the insertion the encapsulation within the receptacle is still displaceable.
  • the encapsulation can be secured in this case by the one or more support members against slipping or possibly falling through.
  • the thermoelectric module may comprise an encapsulation of a metallic material.
  • the encapsulation may for example consist of stainless steel, aluminum, copper or brass. These materials are particularly suitable for providing an optimal protection function for the thermoelectric module even in particularly demanding environments, such as in an exhaust system of an internal combustion engine.
  • the receptacle of the heat exchanger element may preferably be an opening, that is to say a hole, or an embossment.
  • the heat exchanger element can for example be a perforated plate, wherein the thermoelectric modules can be used with their encapsulation in the holes, so that the encapsulation of the thermoelectric module completely covers the opening and can be connected circumferentially to the heat exchanger element.
  • the heat exchanger element may also be a plate with introduced stampings, which are matched in shape to the outer shape and design of the thermoelectric modules. The thermoelectric modules are then placed, preferably accurately, on the embossment in such a plate.
  • the heat exchanger element and the thermoelectric module of the thermoelectric generator according to the invention can be integrally connected to one another.
  • a tight connection between the heat exchanger element and the thermoelectric module for example, by welding, soldering or adhesive technology durable and safe to be realized.
  • thermoelectric module Alternatively or in addition to the cohesive connection, it is possible that the heat exchanger element and the thermoelectric module are positively connected to each other.
  • a positive connection can be made for example by means of pinning, riveting or clinching.
  • a purely positive connection may be sufficient, for example, if it is not a problem that the media to be separated by the heat exchanger element could mix to a small extent. This may be the case, for example, when an exhaust gas flow of a hot fluid on one side of the heat exchanger element with inserted thermoelectric modules Internal combustion engine and on the other side ambient air is used as a cold fluid.
  • the heat exchanger element can be configured like a channel or inserted into a heat exchanger channel.
  • a new concept for the integration of thermoelectric modules in heat flow channels can thereby be provided.
  • the cross-sectional shape of the resulting or provided heat exchanger channel can be made variable and optionally adapted to a specific application or specific environmental requirements.
  • the resulting heat exchange channel may have a substantially rectangular, triangular, trapezoidal, or other regular or irregular geometric shape.
  • thermoelectric generator provides that the heat exchanger element is provided with one or more stampings, and the heat exchanger element forms part of the encapsulation of one or more thermoelectric modules.
  • a one-sidedly encapsulated thermoelectric module can also be used in a stamping, wherein at the same time the housing, that is to say the encapsulation of the thermoelectric module, is completed. In this way, advantageously, a further saving of material and a weight reduction can be achieved.
  • thermoelectric module (s) of the thermoelectric generator connected to the heat exchanger element can be positioned directly between two fluids, in particular between a relatively warm and a relatively cold fluid.
  • the encapsulated thermoelectric modules are advantageously simultaneously protected from these fluids, which have different temperatures. This is particularly advantageous in an application in an exhaust system of a motor vehicle.
  • the efficiency of the thermoelectric module can be increased according to the invention over the previously known thermoelectric modules.
  • a warm fluid may be, for example, the exhaust gas flow of an internal combustion engine as a heat source.
  • the second fluid may be a liquid coolant, for example cooling water, or the ambient air as a heat sink.
  • thermoelectric generator further relates to a method for producing a thermoelectric generator according to the invention which comprises the following steps:
  • thermoelectric modules a) providing one or more partially or completely encapsulated thermoelectric modules
  • thermoelectric module or in the receptacles of the heat exchanger element, optionally with completion of the encapsulation.
  • thermoelectric module can be introduced into an encapsulation, for example of two trough-shaped components.
  • the trough-shaped components can then be connected to one another with the formation of an inner space containing the thermoelectric module.
  • the components may be made of stainless steel, aluminum, copper or brass, for example. Connection can be made according to the invention, for example, by welding, soldering or gluing.
  • the thermoelectric module can expediently be embodied in an electrically insulated manner at its surfaces facing its housing, that is to say the encapsulation.
  • the electrical insulation can be realized, for example, by ceramic coatings or coatings.
  • the heat exchanger element for example, a plate of metallic material, in particular stainless steel, copper or aluminum, be and be provided for example by punching or cutting apertures or by a stamping process with receptacles for the thermoelectric module.
  • thermoelectric module can be used with its encapsulation in the openings of the heat exchanger element, so that preferably the enclosure completely covers the breakthrough and can be connected circumferentially with the heat exchanger element.
  • the heat exchanger element with introduced stampings, which in Their shape should be matched to the outer shape and design of the thermoelectric modules.
  • the thermoelectric modules can then, accurately, be placed on the embossment in such a plate.
  • a tight connection of the inserted thermoelectric modules with the heat exchanger element can be produced by a cohesive connection.
  • the compound can be made according to the invention, for example by welding, soldering or gluing.
  • thermoelectric module Alternatively or in addition to a cohesive connection of the heat exchanger element and the thermoelectric module, a positive connection of the thermoelectric module to the heat exchanger element can be produced.
  • a positive connection can be achieved by riveting, clinching or pinning.
  • Figure 1 is a sectional view of an encapsulated thermoelectric module inserted into a perforated plate
  • FIG. 2 is a perspective teilxplod Arthur view of the underside of a heat exchanger element with inserted thermoelectric modules
  • FIG. 3 is a sectional view of a partial, one-side encapsulated thermoelectric module
  • Figure 4 is a sectional view of a one-sided encapsulated thermoelectric module of Figure 3 inserted into the embossment in a plate;
  • Figure 5 is a perspective view of the underside of a heat exchanger element with stampings and a one-side encapsulated thermoelectric module;
  • Figure 6 is a side view of a flat tube as a heat exchanger element with integrated thermoelectric module
  • Figure 7 is a perspective plan view of a flat tube with thermoelectric modules integrated on both sides;
  • FIG. 8 shows a multiply angled heat exchanger plate with integrated thermoelectric modules
  • Figure 9 is a perspective view of a heat exchanger of two angled heat exchanger elements with integrated thermoelectric modules and
  • FIG. 10 shows a heat exchanger with two inserted heat exchanger plates with integrated thermoelectric modules.
  • thermoelectric module 1 shows a sectional view of a completely encapsulated thermoelectric module 1 inserted a heat exchanger element 2 with a receptacle 3.
  • the heat exchanger element 2 is configured in the embodiment shown as a perforated plate with a breakthrough as a receptacle 3.
  • the thermoelectric module 1 can be introduced, for example, into an encapsulation 4 of two tub-shaped components 4a, 4b.
  • the trough-shaped components 4 can be tightly connected to each other while forming an inner space containing the thermoelectric module 1.
  • the components 4a, 4b as well as the one or more heat exchanger elements 2 may for example consist of stainless steel, aluminum, copper or brass.
  • connection of the components 4a, 4b to the encapsulation 4 can be made according to the invention, for example by welding, soldering or gluing.
  • the encapsulation 4 can be inserted in such a precise fit in the opening 3 of the heat exchanger element, so that they can not slip after insertion advantageously.
  • electrically insulating holding and supporting elements 5 can secure the thermoelectric module 1 from slipping and external mechanical influences, such as, for example, vibrations.
  • the encapsulation 4 can NEN planar edge region 6, which projects beyond the opening 3 circumferentially.
  • the encapsulation 4 can be connected to its edge region with the heat exchanger element 2 cohesively and / or positively locked and tightly connected.
  • thermoelectric module 1 for example, be electrically insulated by ceramic insulating and heat exchange elements 7, such as coatings or plate-shaped pads.
  • the insulating elements 7 can also function as a support and / or support elements for the thermoelectric module 1, so that this can be advantageously protected against mechanical effects such as impact or vibration loads.
  • the heat-conducting element 2 with the encapsulated thermoelectric modules 1 thus integrated therein can function and be used as a thermoelectric generator.
  • FIG. 2 shows a perspective partially exploded view of the underside of a heat exchanger element 2 with a row of five openings as receptacles 3 with completely encapsulated thermoelectric modules 1.
  • Four of the thermoelectric modules 1 shown are already shown inserted into the perforated plate 2.
  • a thermoelectric module 1 is shown separately, not yet inserted in a breakthrough 3 shown.
  • the thermoelectric modules 1 can each be connected to the heat exchanger element 2 cohesively and / or positively. Only for the sake of clarity, only five encapsulated thermoelectric modules 1 and 3 shots are shown in a row.
  • the number of thermoelectric modules 1 is not limited, but can be adapted to the particular requirements of an application. The same applies to their arrangement in rows.
  • the thermoelectric modules 1 can also be inserted in a plurality of rows, but also in other regular or irregular arrangements, in the correspondingly provided receptacles 3 of a heat exchanger element 2.
  • thermoelectric module 1 shows a sectional view of a partially encapsulated thermoelectric module 1.
  • the thermoelectric module 1 is enclosed from one side in a trough-shaped housing component 4a.
  • the thermoelectric elements of p-type 9a and n-type 9b can be used in thermoelectric module 1 arranged kidney arranged and connected via conductor bridges 10 together electrically connected in series. Thermally, the thermoelektnschen elements 9a and 9b are arranged in parallel.
  • the module 1 composed of thermoelectric elements 9a and 9b can be held, for example, by support and carrier elements 5 and ceramic insulating elements 7 and protected from external influences such as impact or vibration.
  • FIG. 4 shows a sectional view of the thermoelective module 1 of FIG. 3 encased in a trough-shaped housing component 4a inserted into a stamping 3 of a plate-shaped heat exchanger element 2.
  • the heat exchanger element 2 can form part of the encapsulation 4 of a thermoelektive module 1 with its stamping 3. Simultaneously with the insertion of the thermoelektnschen module 1 in the stamping 3 then the Einhot- solution, so the enclosure 4 of the thermoelektnschen module 1 can be completed.
  • the invention advantageously a saving of material and a weight reduction can be achieved.
  • FIG. 5 shows a perspective view of the underside of a plate-shaped heat exchanger element 2 with five embossings 3 in a row and a separately illustrated partially encapsulated thermoelectric module 1, as shown for example in FIG. 3, which can be inserted into the receptacles 3 provided.
  • the number and arrangement of the thermoelektnschen modules 1 is not limited in principle and can be advantageously adapted to specific applications.
  • FIG. 6 shows a side view of heat exchanger element 2 with a thermoelectric module 1 integrated therein in an encapsulation 4.
  • the heat exchanger element 2 is designed as a flat tube, the thermoelectric module 1 being inserted into a receptacle 3 designed as an embossment.
  • the embossment 3 can also advantageously form part of the encapsulation 4, whereby a weight saving can be achieved.
  • Figure 7 shows a perspective plan view of a flat tube as a heat exchanger element 2 with integrated thermoelectric modules.1 each housed in an encapsulation 4.
  • the thermoelectric modules 1 are two-sided in receptacles 3, that is on both flat sides 1 1 a and 1 1 b of Flat tube 2 integrated.
  • FIG. 8 shows a multiply angled heat exchanger plate 2 with integrated encapsulated thermoelectric modules 1. Due to the angulation of the heat exchanger element 2, three planes 12a, 12b, 12c are formed in the illustrated embodiment, in each of which encapsulated thermoelectric modules 1 are integrated.
  • FIG. 9 shows a perspective view of a heat exchanger which has a channel-like design with an approximately rectangular cross-section.
  • This heat exchanger can be formed from two angled heat exchanger elements 2a and 2b with integrated thermoelectric modules 1.
  • the two heat exchanger elements 2a and 2b may be, for example, angled, configured, in which case a weld line 14a and 14b may be formed by welding, gluing or soldering, forming a flat channel 13a and 13b, respectively. Subsequently, these heat-conducting elements 2a and 2b can be connected to each other by soldered welded or bonded weld lines 15 to form a further flat channel 13c.
  • the flat channels 13a, 13b and 13c may be suitably suitable for receiving and guiding fluids of different temperatures.
  • a relatively hot fluid such as the exhaust gas of an internal combustion engine and the adjacent flat channels 13a and 13b
  • a liquid or gaseous coolant such as cooling water or air flow lead.
  • FIG. 10 shows a heat exchanger 16 which has a channel-like configuration with a rectangular cross-section.
  • the heat exchanger 16 has on two levels Einschubleisten 17, which are suitable for the introduction of heat exchanger plates 2 with integrated thermoelectric modules 1, as shown for example in Figures 2 and 5.
  • the Heat exchangers are in turn divided into a total of three flat channels 13 a, 13 b and 13 c.

Landscapes

  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator umfassend mindestens ein Wärmetauscherelement und mindestens ein thermoelektrisches Modul wobei das thermoelektrische Modul eine Kapselung aufweist und das thermoelektrische Modul mit dem Wärmetauscherelement derart verbunden ist, dass es mit der Kapselung in eine Aufnahme des Wärmetauscherelements eingefügt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators.

Description

Beschreibung
Titel
Thermoelektrischer Generator und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
Stand der Technik
Ein thermoelektrisches Element ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien, einmal vom p-Typ und einmal vom n-Typ, die alternierend angeordnet und jeweils an einem Ende elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Weisen die Verbindungsstelle und die freien Enden der beiden thermoelektrischen Materialien eine Temperaturdifferenz entlang der Materialien auf, wird aufgrund des Seebeck-Effekts eine elektrische Spannung erzeugt. Um eine möglichst effektive Umwandlung eines Temperaturgradienten in elektrische Leistung zu bewirken, können mehrere thermoelektrischen Elemente zusammen in einem Modul elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet angeordnet werden. Für die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie werden üblicherweise Halbleitermaterialien eingesetzt.
Die Erzeugung von elektrischer Leistung aus der Restwärme von Abgasen von Verbrennungsmotoren, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, ist derzeit von großem wirtschaftlichen Interesse, da noch immer lediglich etwa ein Drittel der im Kraftstoff enthaltenen Energie für den Antrieb eines Fahrzeugs und zur Versorgung der Nebenverbraucher genutzt wird und rund zwei Drittel der Energie ungenutzt als Abwärme an die Umgebung abgegeben werden. Wünschenswert wären thermoelektrische Generatoren, die beispielsweise die Lichtmaschine ersetzen können und somit nicht unerheblich zur Kraftstoffersparnis und Verminderung des Kohlendioxid-Ausstoßes beitragen könnten. Der Einsatz von thermoelektrischen Generatoren zur Nutzung der Abwärme des Abgases stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da hier anspruchsvolle und ungünstige Bedingungen vorherrschen.
Aus der DE 10 2006 057 662 A1 ist ein Wärmetauscher bekannt, der einen Teil der über das Abgas eines Verbrennungsmotors abgegebenen Wärmeleistung mittels eines thermoelektrischen Generators, der als Wärmequelle das Abgas und als Wärmesenke die Umgebungsluft nutzt, in elektrische Leistung umwandelt. Dieser Wärmetauscher weist ein Wärmetauschergehäuse auf, in dem eine Vielzahl von abgasführenden Rohren und in Querrichtung dazu verlaufende luftführende Rohre angeordnet sind. Die Rohre sind dabei bevorzugt als Flachrohre ausgestaltet. Die Kühlluftströmung erfolgt im Kreuzstrom zu den abgasführenden Kanälen. Die abgasführenden Rohre des Wärmetauschers sind thermisch mit einzelnen Wärme aufnehmenden Elementen der thermoelektrischen Generatorelemente verbunden. Die luftführenden Rohre hingegen sind mit den Wärme abgebenden Elementen der einzelnen in den Wärmetauscher integrierten thermoelektrischen Generatorelemente verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird ein Thermoelektrischer Generator umfassend mindestens ein Wärmetauscherelement und mindestens ein thermoelektrisches Modul vorgeschlagen, wobei das thermoelektrische Modul eine Kapselung aufweist und das thermoelektrische Modul mit dem Wärmetauscherelement derart verbunden ist, dass es mit der Kapselung in eine Aufnahme des Wärmetauscherelements eingefügt ist.
Unter der Kapselung des thermoelektrischen Moduls wird erfindungsgemäß ein Gehäuse verstanden, in dessen Innenraum ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist. Zweckmäßigerweise können Anschlusselemente des thermoelektrischen Moduls, an denen die erzeugte elektrische Leistung abgegriffen werden kann, elektrisch isoliert aus der Kapselung herausgeführt sein. Die Kapselung kann beispielsweise aus zwei wannenartig geformten Bauteilen umlaufend dicht zusammengesetzt sein. Diese wannenartigen Bauteile der Kapselung können jeweils einen umlaufenden planaren Bereich als Fügefläche aufweisen, die vorzugsweise bündig aufeinander gesetzt werden können. Damit kann eine verbesserte dichte Verbindung der wannenartigen Bauteile ermöglicht werden. Die Bau- teile der Kapselung können, beispielsweise stoffschlüssig durch Löten, Schweißen oder Kleben oder formschlüssig lösbar oder nicht lösbar dicht miteinander verbunden sein. Durch die Kapselung können die thermoelektrischen Module vor ungünstigen Bedingungen, wie zum Beispiel mechanischen Belastungen, wie Vibrationen oder Verunreinigungen durch Partikel geschützt werden. Vorteilhafterweise können die eingekapselten thermoelektrischen Module in Standard- Wärmetauscher mit nur geringfügigen Anpassungen eingebaut und integriert werden.
Das thermoelektrische Modul mit dem Wärmetauscherelement kann vorzugsweise passgenau in eine Aufnahme des Wärmetauscherelements eingefügt sein. Mit anderen Worten können die jeweilige Aufnahme des Wärmetauschers und die Kapselung des thermoelektrischen Moduls in ihrer Form genau aufeinander an- gepasst sein. In diesem Fall kann bereits nach der Einfügung des thermoelektrischen Moduls in die Aufnahme die Kapselung vorteilhafterweise kein Verrutschen des thermoelektrischen Moduls auftreten. Zur Verbesserung der sicheren Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Wärmetauscherelement kann die Kapselung ein oder mehrere Halterungselemente, zum Beispiel einen umlaufenden planaren Kragen aufweisen, der über die Aufnahme hinausragt und mit einer Aufsatzfläche in einem Überlappungsbereich um die Aufnahme des Wärmetauscherelements herum verbunden werden kann. Die Aufnahme des Wärmetauschers kann alternativ auch etwas größer ausgestaltet sein, so dass nach der Einfügung die Kapselung innerhalb der Aufnahme noch verschiebbar ist. Die Kapselung kann in diesem Fall durch die ein oder mehreren Halterungselemente gegen ein Verrutschen oder gegebenenfalls ein Hindurchfallen gesichert werden.
In einer Ausgestaltung kann das thermoelektrische Modul eine Kapselung aus einem metallischen Material aufweisen. Die Kapselung kann beispielsweise aus Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Messing bestehen. Diese Materialien sind besonders geeignet, um eine optimale Schutzfunktion für das thermoelektrische Modul auch bei besonders anspruchsvollen Umgebungen, wie beispielsweise in einem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, bereit zu stellen. Vorteilhafterweise kann hierdurch auch die Herstellung und die Verbindung des oder der thermoelektrischen Module insbesondere mit Wärmetauschern aus Edelstahl auf einfache Weise, zum Beispiel mittels Löt-, Schweiß- oder Klebetechnik realisiert werden. Dies erlaubt eine einfache, schnelle und kostengünstige Fertigung von thermoelektrischen Generatoren, die auch für den industriellen Großserieneinsatz geeignet ist.
Die Aufnahme des Wärmetauscherelements kann bevorzugt ein Durchbruch, dass heißt ein Loch, oder eine Verprägung sein. Das Wärmetauscherelement kann beispielsweise eine Lochplatte sein, wobei die thermoelektrischen Module mit ihrer Kapselung in die Löcher eingesetzt werden können, so dass die Kapselung des thermoelektrischen Moduls den Durchbruch vollständig abdeckt und umlaufend mit dem Wärmetauscherelement verbunden werden kann. Gleichermaßen kann das Wärmetauscherelement auch eine Platte mit eingebrachten Verprägungen sein, die in ihrer Form jeweils auf die äußere Form und Ausgestaltung der thermoelektrischen Module abgestimmt sind. Die thermoelektrischen Module werden dann, bevorzugt passgenau, auf die Verprägung in einer solche Platte aufgesetzt. Durch diese erfindungsgemäße Verbindung von eingekapseltem thermoelektrischen Modul und Wärmetauscherelement kann der thermo- elektrische Generator mit deutlich vereinfachtem Aufbau und gegenüber bisher bekannten Generatoren besonders gewichtsreduziert und leicht hergestellt werden.
Vorteilhafterweise kann das Wärmetauscherelement und das thermoelektrische Modul des erfindungsgemäßen thermoelektrischer Generators stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Hierdurch kann eine dichte Verbindung zwischen Wärmetauscherelement und thermoelektrischem Modul, beispielsweise durch Schweiß-, Löt- oder mit Klebetechnik haltbar und sicher realisiert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der stoffschlüssigen Verbindung ist es möglich, dass das Wärmetauscherelement und das thermoelektrische Modul formschlüssig miteinander verbunden sind. Eine formschlüssige Verbindung kann beispielsweise mittels Verstiften, Nieten oder Durchsetzfügen hergestellt werden. Eine rein formschlüssige Verbindung kann beispielsweise ausreichend sein, wenn es unproblematisch ist, dass die Medien, die durch das Wärmetauscherelement getrennt werden sollen, sich in geringem Umfang mischen könnten. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn als heißes Fluid auf einer Seite des Wärmetauscherelements mit eingefügten thermoelektrischen Modulen ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors und auf der anderen Seite Umgebungsluft als kaltes Fluid eingesetzt wird.
In einer Ausgestaltung des thermoelektrischen Generators gemäß der Erfindung kann das Wärmetauscherelement kanalartig ausgestaltet oder in einen Wärmetauscherkanal eingefügt sein. Erfindungsgemäß kann hierdurch ein neues Konzept zur Integration von thermoelektrischen Modulen in Wärmeströmungskanäle bereitgestellt werden. Die Querschnittsform des entstehenden oder bereitgestellten Wärmetauscherkanals kann dabei variabel ausgestaltet und gegebenenfalls an eine bestimmte Anwendung oder bestimmte Umgebungsanforderungen an- gepasst sein. Zum Beispiel kann der resultierende Wärmetauscherkanal eine im Wesentlichen rechteckige, dreieckige, trapezförmige oder andere regelmäßige oder unregelmäßige geometrische Form aufweisen.
Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators sieht vor, dass das Wärmetauscherelement mit einer oder mehreren Verprägungen versehen ist, und das Wärmetauscherelement einen Teil der Kapselung eines oder mehrerer thermoelektrischen Module bildet. Mit anderen Worten kann erfindungsgemäß auch ein einseitig gekapseltes thermoelektrisches Modul in eine Verprägung eingesetzt werden, wobei gleichzeitig die Einhäusung, also die Kapselung des thermoelektrischen Moduls vervollständigt wird. Hierdurch kann vorteilhafterweise eine weitere Materialersparnis und eine Gewichtsreduktion erzielt werden.
Erfindungsgemäß kann das oder die mit dem Wärmetauscherelement verbundenen thermoelektrischen Module des thermoelektrischen Generators direkt zwischen zwei Fluiden, insbesondere zwischen einem relativ warmes und einem relativ kalten Fluid, positioniert sein. Die eingekapselten thermoelektrischen Module sind dabei vorteilhafterweise gleichzeitig vor diesen Fluiden, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, geschützt. Dies ist besonders vorteilhaft bei einer Anwendung in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs. Der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls kann erfindungsgemäß gegenüber den bisher bekannten thermoelektrischen Modulen gesteigert werden. Ein warmes Fluid kann beispielsweise der Abgasstrom eines Verbrennungsmotors als Wärmequelle sein. Das zweite Fluid kann ein flüssiges Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, oder auch die Umgebungsluft als Wärmesenke sein. Durch die Kapselung kann das thermoelektrische Modul, dabei wirkungsvoll vor einem zu hohen Abgasgegendruck oder Partikeln aus dem Abgas geschützt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators welches die folgenden Schritte um- fasst:
a) Bereitstellen eines oder mehrerer teilweise- oder vollständig eingekapselter thermoelektrischen Module,
b) Bereitstellen eines Wärmetauscherelements mit einer oder mehreren Aufnahmen und
c) Einfügen des oder der thermoelektrischen Module in die Aufnahmen des Wärmetauscherelements, gegebenenfalls unter Vervollständigung der Kapselung.
In Schritt a) kann ein thermoelektrisches Modul in eine Kapselung, beispielsweise aus zwei wannenförmigen Bauteilen, eingebracht werden. Die wannenförmi- gen Bauteile können dann dicht miteinander unter Ausbildung eines Innenraums, der das thermoelektrische Modul enthält, miteinander verbunden werden. Die Bauteile können beispielsweise aus Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Messing bestehen. Verbindung kann erfindungsgemäß beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben hergestellt werden. Das thermoelektrische Modul kann zweckmäßigerweise an seinen zu seiner Einhäusung, also der Kapselung, gerichteten Oberflächen elektrisch isoliert ausgestaltet sein. Die elektrische Isolierung kann zum Beispiel durch keramische Beschichtungen oder Auflagen realisiert werden.
In Schritt b) kann das Wärmetauscherelement beispielsweise eine Platte aus metallischem Material, insbesondere Edelstahl, Kupfer oder Aluminium, sein und zum Beispiel durch Stanzen oder Schneiden von Durchbrüchen oder durch einen Prägeprozeß mit Aufnahmen für das thermoelektrische Modul versehen werden.
In Schritt c) kann beispielsweise ein thermoelektrisches Modul mit seiner Kapselung in die Durchbrüche des Wärmetauscherelements eingesetzt werden, so dass vorzugsweise die Kapselung den Durchbruch vollständig abdeckt und umlaufend mit dem Wärmetauscherelement verbunden werden kann. Gleichermaßen kann das Wärmetauscherelement mit eingebrachten Verprägungen, die in ihrer Form jeweils auf die äußere Form und Ausgestaltung der thermoelektri- schen Module abgestimmt sein. Die thermoelektrischen Module können dann, passgenau, auf die Verprägung in einer solchen Platte aufgesetzt werden. Durch diese erfindungsgemäße Verbindung von eingekapseltem thermoelektrischen Modul und Wärmetauscherelement kann der thermoelektrische Generator mit deutlich vereinfachtem Aufbau und gegenüber bisher bekannten Generatoren besonders gewichtsreduziert und leicht hergestellt werden.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine dichte Verbindung der eingefügten thermoelektrischen Module mit dem Wärmetauscherelement durch eine stoffschlüssige Verbindung hergestellt werden. Die Verbindung kann erfindungsgemäß beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben hergestellt werden. Durch diese erfindungsgemäß möglichen Verbindungstechniken kann eine Fertigung der thermoelektrischen Generatoren gegenüber bisher bekannten Herstellungsprozessen, die beispielsweise mit Klemmtechniken arbeiten, deutlich einfacher und kostengünstiger erfolgen. Zusätzlich ist das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise für einen industriellen Großserieneinsatz geeignet.
Alternativ oder zusätzlich zu einer stoffschlüssigen Verbindung von Wärmetauscherelement und thermoelektrischem Modul kann eine formschlüssige Verbindung des thermoelektrischen Moduls mit dem Wärmetauscherelements hergestellt werden. Insbesondere kann ein Formschluss durch Nieten, Durchsetzfügen oder Verstiften erzielt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den Figuren näher erläutert, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Gleiche Komponenten sind dabei mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Es zeigt:
Figur 1 eine Schnittdarstellung eines eingekapselten thermoelektrischen Moduls eingesetzt in eine Lochplatte;
Figur 2 eine perspektivische teilexplodierte Ansicht der Unterseite eines Wärmetauscherelements mit eingesetzten thermoelektrischen Modulen; Figur 3 eine Schnittdarstellung eines teilweise, einseitig gekapselten thermoelekt- rischen Moduls,
Figur 4 eine Schnittdarstellung eines einseitig eingekapselten thermoelektrischen Moduls aus Figur 3 eingefügt in die Verprägung in einer Platte;
Figur 5 eine perspektivische Ansicht der Unterseite eines Wärmetauscherelements mit Verprägungen und eines einseitig gekapselten thermoelektrischen Moduls;
Figur 6 eine seitliche Ansicht eines Flachrohrs als Wärmetauscherelement mit integriertem thermoelektrischen Modul;
Figur 7 eine perspektivische Draufsicht auf ein Flachrohr mit beidseitig integrierten thermoelektrischen Modulen;
Figur 8 eine mehrfach gewinkelte Wärmetauscherplatte mit integrierten thermoelektrischen Modulen,
Figur 9 eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers aus zwei gewinkelten Wärmetauscherelementen mit integrierten thermoelektrischen Modulen und
Figur 10 einen Wärmetauscher mit zwei eingeschobenen Wärmetauscherplatten mit integrierten thermoelektrischen Modulen.
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines vollständig eingekapselten thermoelektrischen Moduls 1 eingefügt ein Wärmetauscherelement 2 mit einer Aufnahme 3. Das Wärmetauscherelement 2 ist in der gezeigten Ausführungsform als Lochplatte mit einem Durchbruch als Aufnahme 3 ausgestaltet. Das thermoelekt- rische Modul 1 kann beispielsweise in eine Kapselung 4 aus zwei wannenförmi- gen Bauteilen 4a, 4b eingebracht sein. Die wannenförmigen Bauteile 4 können dabei unter Ausbildung eines Innenraums, der das thermoelektrische Modul 1 enthält, dicht miteinander verbunden sein. Die Bauteile 4a, 4b sowie auch das oder die Wärmetauscherelemente 2 können beispielsweise aus Edelstahl, Aluminium, Kupfer oder Messing bestehen. Die Verbindung der Bauteile 4a, 4b zur Kapselung 4 kann erfindungsgemäß beispielsweise durch Schweißen, Löten oder Kleben hergestellt sein. Die Kapselung 4 kann derart passgenau in den Durchbruch 3 des Wärmetauscherelements eingefügt sein, so dass sie nach der Einfügung vorteilhafterweise nicht verrutschen kann. Im Innenraum der Kapselung 4 können elektrisch isolierende Halte- und Stützelemente 5 das thermoelektrische Modul 1 vor einem Verrutschen und äußeren mechanischen Einwirkungen, wie zum Beispiel Vibrationen sichern. Zusätzlich kann die Kapselung 4 ei- nen planaren Randbereich 6 aufweisen, der den Durchbruch 3 umlaufend überragt. Die Kapselung 4 kann mit ihrem Randbereich mit dem Wärmetauscherelement 2 stoffschlüssig und / oder formschlüssig haltbar und dicht verbunden sein. Das thermoelektrische Modul 1 beispielsweise durch keramische Isolier-und Wärmeaustauschelemente 7, wie Beschichtungen oder plattenförmige Auflagen elektrisch isoliert sein. Gleichzeitig können die Isolierelemente 7 auch als Träger und / oder Stützelemente für das thermoelektrische Modul 1 funktionieren, so dass dieses vorteilhafterweise auch vor mechanischen Einwirkungen, wie Stoß oder Vibrationsbelastungen geschützt werden kann. Zweckmäßigerweise können Anschlusselemente 8 des thermoelektrischen Moduls 1 , an denen eine erzeugte elektrische Leistung abgegriffen werden kann, elektrisch isoliert aus der Kapselung 4 herausgeführt sein. Erfindungsgemäß kann das Wärmeleitelement 2 mit den solchermaßen darin integrierten gekapselten thermoelektrischen Modulen 1 als thermoelektrischer Generator funktionieren und eingesetzt werden.
Figur 2 zeigt eine perspektivische teilexplodierte Ansicht der Unterseite eines Wärmetauscherelements 2 mit einer Reihe von fünf Durchbrüchen als Aufnahmen 3 mit vollständig eingekapselten thermoelektrischen Modulen 1 . Vier der gezeigten thermoelektrischen Module 1 sind bereits in die Lochplatte 2 eingefügt gezeigt. Ein thermoelektrisches Modul 1 ist separat, noch nicht in einen Durchbruch 3 eingefügt, gezeigt. Die thermoelektrischen Module 1 können jeweils mit dem Wärmetauscherelement 2 stoffschlüssig und / oder formschlüssig verbunden sein. Nur zum Zwecke der Übersichtlichkeit sind lediglich fünf eingekapselte thermoelektrische Module 1 und Aufnahmen 3 in einer Reihe gezeigt. Erfindungsgemäß ist die Anzahl der thermoelektrischen Module 1 nicht beschränkt, sondern kann an die jeweiligen Erfordernisse einer Anwendung angepasst werden. Das Gleiche gilt auch für deren Anordnung in Reihen. Die thermoelektrischen Module 1 können erfindungsgemäß auch in mehreren Reihen, aber auch in anderen regelmäßigen oder unregelmäßigen Anordnungen, in die entsprechend vorgesehenen Aufnahmen 3 eines Wärmetauscherelements 2 eingefügt sein.
Figur 3 zeigt eine Schnittdarstellung eines teilweise gekapselten thermoelektrischen Moduls 1. Das thermoelektrische Modul 1 ist dabei von einer Seite in ein wannenförmiges Gehäusebauteil 4a eingefasst. Die thermoelektrischen Elemente vom p-Typ 9a und vom n-Typ 9b können im thermoelektrischen Modul 1 alter- nierend angeordnet und über Leiterbrücken 10 miteinander elektrisch in Reihe geschaltet angeordnet sein. Thermisch werden die thermoelektnschen Elemente 9a und 9b parallel geschaltet angeordnet. Das aus thermoelektnschen Elementen 9a und 9b zusammengesetzte Modul 1 kann beispielsweise durch Stütz- und Trägerelemente 5 sowie keramische Isolierelemente 7 gehalten und vor äußeren Einwirkungen, wie Stoß oder Vibrationen geschützt werden.
Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung des einseitig in ein wannenförmiges Gehäusebauteil 4a eingekapselten thermoelektnschen Moduls 1 aus Figur 3 eingefügt in eine Verprägung 3 eines plattenförmigen Wärmetauscherelements 2. Das Wärmetauscherelement 2 kann mit seiner Verprägung 3 einen Teil der Kapselung 4 eines thermoelektnschen Moduls 1 bilden. Gleichzeitig mit dem Einfügen des thermoelektnschen Moduls 1 in die Verprägung 3 kann dann die Einhäu- sung, also die Kapselung 4 des thermoelektnschen Moduls 1 vervollständigt werden. Hierdurch kann vorteilhafterweise erfindungsgemäß eine Materialersparnis und eine Gewichtsreduktion erzielt werden.
Figur 5 zeigt eine perspektivische, Ansicht der Unterseite eines plattenförmigen Wärmetauscherelements 2 mit fünf Verprägungen 3 in einer Reihe sowie ein separat dargestelltes teilweise gekapseltes thermoelektrisches Modul 1 , wie es zum Beispiel in Figur 3 gezeigt ist, welches in die bereitgestellten Aufnahmen 3 eingesetzt werden kann. Auch hier gilt, wie bei der Darstellung in Figur 2, dass nur zum Zwecke der Übersichtlichkeit lediglich fünf Verprägungen 3 gezeigt sind und erfindungsgemäß die Anzahl und Anordnung der thermoelektnschen Module 1 grundsätzlich nicht beschränkt ist und vorteilhafterweise auf spezifische Anwendungen angepasst werden kann.
Figur 6 zeigt eine seitliche Ansicht Wärmetauscherelements 2 mit einem darin integrierten thermoelektnschen Modul 1 in einer Kapselung 4. Das Wärmetauscherelement 2 ist in dieser Ausführungsform der Erfindung als Flachrohr ausgestaltet, wobei das thermoelektrische Modul 1 in eine als Verprägung ausgestaltete Aufnahme 3 eingefügt ist. In diesem Fall kann die Verprägung 3 auch vorteilhafterweise einen Teil der Kapselung 4 bilden, wodurch eine Gewichtsersparnis erzielt werden kann. Figur 7 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf ein Flachrohr als Wärmetauscherelement 2 mit integrierten thermoelektrischen Modulen.1 jeweils eingehäust in eine Kapselung 4. Die thermoelektrischen Module 1 sind dabei in Aufnahmen 3 zweiseitig, dass heißt auf beiden flachen Seiten 1 1 a und 1 1 b des Flachrohrs 2 integriert.
Figur 8 zeigt eine mehrfach gewinkelte Wärmetauscherplatte 2 mit integrierten eingekapselten thermoelektrischen Modulen 1 . Durch die Winkelung des Wärmetauscherelements 2 werden in der gezeigten Ausführungsform drei Ebenen 12a, 12b, 12c gebildet, in die jeweils eingekapselte thermoelektrische Module 1 integriert sind.
Figur 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Wärmetauschers der kanalartig mit annähernd rechteckigem Querschnitt ausgestaltet ist. Dieser Wärmetauscher kann aus zwei gewinkelten ausgestalteten Wärmetauscherelementen 2a und 2b mit integrierten thermoelektrischen Modulen 1 gebildet werden. Die beiden Wärmetauscherelemente 2a und 2b können beispielsweise gewinkelt, ausgestaltet sein, wobei hierbei durch Schweißen, Kleben oder Löten jeweils unter Ausbildung eines Flachkanals 13a und 13b eine Bindenaht 14a und 14b gebildet werden kann. Nachfolgend können diese Wärmeleitelemente 2a und 2b unter Ausbildung eines weiteren Flachkanals 13c miteinander durch gelötete geschweißte oder geklebte Bindenähte 15 verbunden werden. Die Flachkanäle 13a, 13b und 13c können zweckmäßigerweise zur Aufnahme und Führung von zueinander unterschiedlich temperierten Fluiden geeignet sein. So kann beispielsweise der Flachkanal 13c ein relativ heißes Fluid, beispielsweise das Abgas eines Verbrennungsmotors und die angrenzenden Flachkanäle 13a und 13b ein flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser oder einen Luftstrom, führen. Erfindungsgemäß kann hiermit ein deutlich vereinfachtes Konzept für den Aufbau von thermoelektrischen Generatoren bereitgestellt werden.
Figur 10 zeigt einen Wärmetauscher 16 der kanalartig mit rechteckigem Querschnitt ausgestaltet ist. Der Wärmetauscher 16 weist auf zwei Ebenen Einschubleisten 17 auf, die zur Einbringung von Wärmetauscherplatten 2 mit integrierten thermoelektrischen Modulen 1 , wie sie beispielsweise in Figur 2 und 5 gezeigt sind geeignet sind. Durch die eingeschobenen Wärmetauscherplatten 2 kann der Wärmetauscher wiederum in insgesamt in drei Flachkanäle 13a, 13b und 13c geteilt werden.

Claims

Ansprüche
1 . Thermoelektrischer Generator umfassend mindestens ein Wärmetauscherelement und mindestens ein thermoelektrisches Modul dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrisches Modul eine Kapselung aufweist und das thermoelektrische Modul mit dem Wärmetauscherelement derart verbunden ist, dass es mit der Kapselung in eine Aufnahme des Wärmetauscherelements eingefügt ist.
2. Thermoelektrische Generator nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul eine Kapselung aus einem metallischen Material aufweist.
3. Thermoelektrischer Generator nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet dass die Aufnahme des Wärmetauscherelements ein Durchbruch oder eine Verprägung ist.
4. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement und das Thermoelektrische Modul stoffschlüssig und / oder formschlüssig miteinander verbunden sind.
5. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement kanalartig ausgestaltet oder in einen Wärmetauscherkanal eingefügt ist.
6. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement mit einer oder mehreren Verprägungen einen Teil der Kapselung eines oder mehrerer thermo- elektrischen Module bildet.
7. Thermoelektrischer Generator nach einem der Ansprüche 3 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul direkt zwischen zwei Fluiden positioniert ist
Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators nach einem der Ansprüche 1 bis 7 umfassend die Schritte,
(a) Bereitstellen eines oder mehrerer teilweise- oder vollständig eingekapselter thermoelektrischen Module,
(b) Bereitstellen eines Wärmetauscherelements mit Aufnahmen,
(c) Einfügen des oder der thermoelektrischen Module mit dem Wärmetauscherelement in die Aufnahmen des Wärmetauscherelements, gegebenenfalls unter Vervollständigung der Kapselung.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schritt (d) eine stoffschlüssige und /oder formschlüssige Verbindung des thermoelektrischen Moduls mit dem Wärmetauscherelements hergestellt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauscherelement kanalartig ausgestaltet oder in einen Wärmetauscherkanal eingefügt wird.
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