WO2013092394A2 - Device for directly generating electrical energy from thermal energy - Google Patents

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WO2013092394A2
WO2013092394A2 PCT/EP2012/075443 EP2012075443W WO2013092394A2 WO 2013092394 A2 WO2013092394 A2 WO 2013092394A2 EP 2012075443 W EP2012075443 W EP 2012075443W WO 2013092394 A2 WO2013092394 A2 WO 2013092394A2
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WO
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heat
contact
thermal energy
heat pipe
electrically insulating
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PCT/EP2012/075443
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French (fr)
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WO2013092394A3 (en
Inventor
Evert Houwman
Gregor Luthe
Tobias Stahl
Original Assignee
Wind Plus Sonne Gmbh
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0275Arrangements for coupling heat-pipes together or with other structures, e.g. with base blocks; Heat pipe cores
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13Thermoelectric 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F2013/005Thermal joints
    • F28F2013/006Heat conductive materials
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2265/00Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction
    • F28F2265/24Safety or protection arrangements; Arrangements for preventing malfunction for electrical insulation

Definitions

  • the present invention relates to a new apparatus and method for directly producing electrical energy from thermal energy.
  • thermoelectric elements Basically, a TEE includes two legs made of different thermoelectric materials having different Seebeck coefficients electrically connected to one another at a pad or in a contact region. An elevated temperature in the contact area compared to the temperature of the other ends of the legs causes an electrical voltage (thermal voltage) between the two thermoelectric materials due to the thermoelectric effect. When the circuit is closed then flows an electric current.
  • a TEE can be made up of several such Peltier elements, which can be shaded in series and / or in parallel to achieve a higher thermoelectric voltage or higher current. In most cases, a combination of both interconnections is used. When connected in series, there is a contact area on both sides of the legs, which must be electrically isolated from the other legs.
  • the known devices for the direct generation of electrical energy therefore generally comprise at least one TEE which is in thermal contact with a source of thermal energy in its contact region and in thermal contact with a heat absorbing device which removes the incoming thermal energy or with the opposite side otherwise uses.
  • This configuration "source of thermal energy TEE / heat absorbing device" on the other hand, due to the high number of heat sources on the one hand and heat absorbing devices on the other hand, a variety of applications, especially as a self-sufficient, independent of an electrical distributor sources of electrical energy.
  • the sources of thermal energy are devices as diverse as: photovoltaic cells or solar cells heated by sofartherm; In general, the devices in question have the configuration
  • thermoelectric element that generates electricity namely given by the equation I in the equation I, the variables T m , T c and TH mean the mean temperature of the TEE, the temperatures of the hot side and the temperature at the cold Page. Equation I
  • the thermal resistance Ri is set according to equation IX from the contact or contact resistance Rhi between the TEE and the thermal conductor at one end, the contact or contact resistance Rh2 between the heat sealer and the Heat sources at the other end and the thermal resistance R L of the heat conductor itself together.
  • thermal conductors are metal conductors with a large cross section AL, so that the line resistance according to equation X remains small.
  • equation XI ki stands. for the cherriestechnischeszah! of the metallic conductor and L for its length.
  • R L k L / A L.
  • the thermal contact resistance between solids is calculated according to equation X! determined by the close contact between the materials of the two sides of the contact, where all the influences are summarized in the thermal contact coefficient h c , and the area A of the contact.
  • the thermal contact is generally improved, ie h c increases, with the number of points of contact between the two contact surfaces.
  • the thermal contact can be increased with high pressure by compressing the contact surfaces.
  • Reduced surface roughness, cleaning of the contact surfaces and a surface of high quality and planarity also lead to a certain improvement.
  • a thermally highly conductive paste based on polymers containing metal-containing particles is used in order to remove the remaining "heat-dissipation holes" in the process Contact us.
  • the thermal contact resistance Rh between solids and liquids or gases is determined by the design of the heat sink, the properties of the gases and Liquids and the flow characteristics (forced flow, convection or turbulent or laminar flow) determined.
  • the entire assembly then consists of comparatively heavy metal thermal contacts and the TEE itself, which is predominantly made up of ceramic parts.
  • the mechanical stresses change due to the different thermal expansion coefficients of the metallic and ceramic materials. This can lead to breakage of the TEE; In any case, the mechanical stresses lead to material fatigue.
  • the thermal contact changes during heating, because the pressure changes. Applying a thermally conductive paste can only partially solve this problem.
  • the contact resistance Rh is also lowered by connecting the TEE and the heat conductor directly to each other by means of a soldering or welding connection. Due to the direct metallic compound, the h c value is very large and thus R h is small. R h can not be reduced by increasing the contact area because this is limited by the dimensions of the TEE.
  • high temperatures are generated which lead to stresses within the material at low operating temperatures.
  • the welded or soldered parts can not relax by relative movements against each other. In addition, you can not dismantle the system easily, for example for a repair or a later recycling.
  • a flat collector which has a sun-facing front part with a Finkol! Ektor, ie an absorber of solar energy, a middle part with TEE and a rear part with cooling elements.
  • the solar collector can consist of materials as diverse as metal, cement, concrete, bricks, porcelain, ceramics or plastic.
  • the solar panel can still be covered with a transparent material to use the greenhouse effect.
  • fasteners As is known, however, occur in such solar panels temperature differences between the front and the rear side of up to 400 ° C.
  • US Pat. No. 6,322,545 B1 proposes a bifurcated electrical network arrangement comprising a terraced substrate, an insulating film, a copper metal layer and thermophotovoltaic cells. which are connected to the copper layer.
  • materials with similar coefficients of expansion are used for the individual components of the network arrangement. For example, in the case of GaSb cells, Cu / Invar / Cu laminates or AlSiC are used as the substrate material.
  • the disadvantage here is the limited choice of materials.
  • a heat pipe is a gas-tight component that can be used to transport thermal energy or heat very efficiently from one place to another. It can transport 100 to 1000 times higher thermal energy than a component of the same geometric dimensions made of solid copper.
  • the heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid.
  • the heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures.
  • the inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transport medium, the "working" liquid.
  • the "working" liquid from the capillary structure evaporates there.
  • the steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere by releasing the heat of vaporization, where energy is dissipated.
  • the condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle that yearns! circulating very effectively transported thermal energy.
  • the temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat dissipation can be done isothermally.
  • working liquids such as water in the temperature range of about 170 to 600 ° K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170 ° K, mercury in the temperature range of 400 to 800 ° K or lithium or silver in a temperature range above 1000 ° K.
  • Heat pipes can be used, for example, in Peltier element heat pipe cooling systems.
  • the object of the present invention was to propose a new apparatus and method for the direct production of electrical energy from thermal energy, which no longer has the disadvantages of the prior art, but the particularly efficient transport of the thermal Allow energy from the energy source to a thermoelectric element (TEE) as well as efficient dissipation of the supplied thermal energy from the TEE to a heat absorbing device.
  • TEE thermoelectric element
  • the selection of the materials used to construct the new device should be subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients.
  • the new device (1) for the direct generation of electrical energy from thermal energy comprises at least one line of thermal energy (2), at least one heat pipe (3.1), at least one thermoelectric element (4) and - at least one heat-dissipating device ( 5), wherein the heat pipe (3.1) with its one end (3.1.1) in thermally conductive contact with the source of thermal energy (2) and with its other end (3.1.2) in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (4.1) of the thermoelectric element (4) and wherein the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the thermoelectric element (4) in electrically insulating, thermally conductive contact (5.1) with the heat dissipating device (5).
  • the new device for the direct generation of electrical energy from thermal energy is referred to as "device according to the invention”.
  • the new method of directly producing electrical energy from thermal energy has been found, in which the thermal energy delivered by at least one source of thermal energy (2) by means of at least one heat pipe (3.1) to the hot side (4.1) of at least one thermoelectric element (4) is transported, by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element (4) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) via an electrically insulating, thermally conductive contact (5.1) of a heat dissipating device (5) is supplied.
  • the new method for the direct generation of electrical energy from thermal energy is referred to as the "method according to the invention”.
  • the device according to the invention and the method according to the invention no longer had the disadvantages of the prior art, but rather a particularly efficient transport of the thermal energy from the energy source to a thermoelectric element (TEE), as well as the efficient discharge of the remainder thermal energy from the TEE to a heat absorbing device.
  • TEE thermoelectric element
  • the selection of the materials used to construct the device according to the invention was subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the device according to the invention and in the method according to the invention, there were no or only negligibly small thermal stresses caused by different thermal expansion coefficients.
  • the device according to the invention also eliminated the problems of thermal contact between the source of thermal energy and the hot surface of the TEE and between the cold surface of the TEE and the heat absorbing device.
  • effective thermal contact was ensured only by mechanical pressure.
  • the quality and pianority of the contact surfaces in question had to be set high, otherwise, in particular, the temperature drop between the source of thermal energy and the hot side of the TEE became too high and thereby the efficiency of power generation was lowered.
  • the device according to the invention and the method according to the invention have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art.
  • the device according to the invention also had the significant advantage that their components could be combined with each other in a wide variety of spatial arrangements.
  • the device according to the invention could be adapted to a wide variety of spatial and / or thermal conditions in a particularly flexible manner.
  • the TEE could be arranged as an electrical component separate from heat-dissipating devices containing water or flammable liquids, which made the inventive device and the inventive method particularly safe.
  • the apparatus and method of the invention allowed the thermal energy to be concentrated to a few TEEs, thus ensuring that the temperature of the hot side of the TEE was always at or near the optimum range, and thus the efficiency of power generation high remained.
  • the thermal energy generated on a large area can be concentrated to one or a few TEEs and then redistributed to a large area.
  • the device according to the invention serves for the direct generation of electrical energy from thermal energy by means of the Seebeck effect in thermoelectric elements (TEE).
  • TEE thermoelectric elements
  • the thermal energy can be heat from different sources, in which it is selectively generated or obtained as waste heat that is not used or can not be used.
  • sources of thermal energy come as diverse devices as FiachkoSlektoren, evacuated tube collectors, photovoltaic cells, solar cells, radiators, components of ovens such as fire chambers, steel elements, natural stones, firebricks, furnace roofs, Hypokaustenberg, stove tiles or smoke vents, underfloor heating, current transformers, the underside of automobiles, Engine blocks, exhaust pipes, flue pipes, flue gas chimneys, tanks containing materials that provide thermal energy during phase transformations, electrical resistors, hot water bags, biogas plants, human and animal bodies, or Sun concentrators, as used for example in concentrator photovoltaics (see the journal photovoitaik, 1 1, 2011, pages 58 to 67) into consideration.
  • the Flachkoliektoren for Soiarthermie include a transparent cover, in particular from Gias, an absorber for the solar energy, in particular of copper, and heat-dissipating devices, in particular tube cooler.
  • the end of the heat pipe is in heat-conducting contact with the back of the absorber.
  • the evacuated tube collectors comprise a transparent insulating vacuum tube as an outer envelope, a black absorber layer on the inside of the vacuum tube, a heat pipe, particularly copper, fixed by thermally conductive centering devices and a closure cap, a portion of the heat pipe projecting beyond the closure cap the end of which condenses the working fluid and transfers the thermal energy to heat rejecting devices.
  • condenser systems which operate with a liquid flowing therethrough which is heated.
  • the basic structure of photovoltaic cells or solar cells for the conversion of light into electricity is well known and need not be explained in detail here. Meanwhile, they are available in a variety of configurations. As is known, they can be produced on the basis of inorganic and organic semiconducting materials. When irradiated with sunlight, the solar cells heat up, which is why they can also be used as a source of thermal energy. This is because the conversion of the stray energy into electrical current, i. Energy conversion is not 100% efficient and the residual energy is converted into thermal energy.
  • the sources of thermal energy are in at least one heat pipe in electrically isoiierendem, thermally conductive contact with the hot side of at least one thermoelectric element.
  • the walls of the heat pipes can be constructed from a wide variety of materials. For the construction also flexible materials can be used. In addition, the heat pipes can be an integral part of flexible plastic films.
  • suitable materials are metals such as titanium, zirconium, Haftnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, rhenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, Gold, zinc, cadmium, aluminum, gallium, indium, silicon, germanium, tin and lead and their alloys with each other and / or with other metals and / or non-metals, non-metallic inorganic materials such as ceramics and plastics such as high temperature resistant plastics.
  • metals such as titanium, zirconium, Haftnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, rhenium, osmium, cobalt, rhodium, i
  • the materials of which the heat pipes are constructed must be gas-tight in the temperature range given by the source of thermal energy, both chemically stable to the working fluid and to the external atmosphere, mechanically and thermally stable and stable in deformation.
  • the materials should preferably have high thermal conductivity, at least in the areas where the thermal energy is absorbed or delivered, so that the thermal energy of the source can be effectively absorbed and effectively delivered to the hot side of the thermo-electric element.
  • the other areas of the heat pipes need not be thermally conductive, but may be thermally insulating.
  • the heat pipes can have a great variety of lengths, which are directed in particular according to their intended use and the dimensions of the devices according to the invention. Thus, the lengths can range from a few microns to several meters and more.
  • the heat pipes may have different cross sections such as squares, rectangles and triangles, which may have rounded corners and / or sides, ellipses, ovals or circles.
  • the size of the cross sections can vary widely and also depends on the intended use of the heat pipes and the dimensions of the devices according to the invention. Accordingly, the cross sections may be in the range of a few microns to several centimeters.
  • the heat pipes may have different shapes in the longitudinal direction. Thus, they can be rectilinear, curved in the plane one or more times, spatially multiple curved, meandering or spiraling.
  • the heat pipes can still be coated after shaping to protect them from mechanical, chemical and / or thermal effects.
  • suitable coating materials are thermally and / or curable with actinic radiation such as UV radiation or electron radiation, pigmented or non-pigmented powder coatings or water-based or solvent-based liquid coatings).
  • the capillary structure with wicking on the inside of the walls can also be made of a variety of materials. Essential for their selection are the temperature range given by the source of the thermal energy and the stability with respect to the working liquid. In addition, contact between the capillary structure and the walls should not cause corrosion under the influence of the working fluid. The person skilled in the art can therefore select the materials on the basis of the property profiles known to him.
  • the Kapiliar Jardin can be constructed of nanoparticles, fiber materials or nano- or microporous materials with appropriately sized pore sizes.
  • the wicking by wire mesh such as copper wire mesh or electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, such as ceramic, glass or high temperature resistant plastics, are generated inside the heat pipes.
  • the wicking effect can also be generated by surface structures of elevations and depressions such as grooves, columns, spheres or cups on the inner walls of the heat pipes.
  • the capillary structure with wicking can also be retrofitted. Examples of suitable methods are crystallization or precipitation mesoporous materials such as zeolites. This is particularly advantageous for the "open embodiment" described below, because in one step, a direct connection to an electrically insulating, thermally conductive, structured surface on the TEE on which the working fluid condenses out can be accomplished.
  • the end of the heat pipe which is in thermally conductive contact with the source of thermal energy, need not necessarily be electrically isolated therefrom.
  • the thermally conductive contact between the end of the heat pipe and the source of thermal energy through solder contacts, welding contacts, flange contacts, electrically and thermally conductive, metal particles containing Kieb Anlagenen, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe into the source or screwed to the source of thermal energy, or plugged or plugged or clamped, pressure contacts, in which the end of the heat pipe is pressed by means of suitable devices to the source of thermal energy, hergesteilt.
  • the heat-conducting contact can also be further improved by optionally containing metal particles sautpasten.
  • the contact between the end of the heat pipe and the source of thermal energy is also electrically insulating.
  • Such insulation can be ensured, for example, by heatable ceramic layers, plastic layers or layers of aluminum oxide, aluminum nitride or silicon nitride. These layers can be applied to the respective surfaces to be converted, for example by sputtering, or applied as wafers.
  • these heat-conductive layers are applied to the side of the cells facing away from the sun.
  • thermoelectric element On the other hand, it is imperative that the contact of the other end of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is electrically insulating.
  • the hot side of a thermoelectric element is the side that absorbs the thermal energy.
  • On both sides of the TEE is also the contact area, in which the two different thermoelectric materials of the thermoelectric element electrically conductively connected to each other.
  • the TEE may be electrically conductively connected to at least one other TEE. However, 100 or more such TEEs can also be connected in parallel and / or in series.
  • the contact of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is made by a suitable contact device. The selection of the materials for the construction of the contact device depends in particular on the temperature range predetermined by the source of the thermal energy.
  • the contact device comprises heat-conducting solder contacts, welding contacts, Fianschromee, adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe in or on located on the hot side corresponding operations on or screwed, plugged or on or is clamped.
  • the thermal conductivity can be further improved by the use of thermal pastes, for example thermal pastes based on silicones.
  • the contact device comprises the above-described electrically insulating, heat-conducting layers. These layers are located directly on the hot side of the TEE. In general, they only need a few nuclear facilities to be strong. In order to enable soldering and welding, the heat-conductive insulating layers are covered on their outside with a thin metal layer. A particularly advantageous arrangement of this kind can be made by applying a metal oxide layer which gradually turns into a metal layer.
  • the electrically insulating, thermally conductive contact can also be designed so that the hot side is in direct contact with the interior of the heat pipe, so that the working liquid condenses directly on the hot side and the thermal energy is transmitted directly.
  • this embodiment will be referred to as an "open embodiment".
  • the TEE itself forms the end of the heat pipe.
  • the condensing tone of the working fluid and the transfer of thermal energy can be determined by means of a structured surface on the hot side, which is in direct contact with the inside of the heat pipe, can be further improved.
  • the structured surface may be composed of nanoporous or microporous materials, nanoparticles, groove structures, pyramids, columns, wells, spheres, etc. If the structured surface is still electrically conductive, it is electrically insulated from the hot side of the TEE by one of the above-described electrically insulating, thermally conductive layers.
  • the heat pipe can be made by gravity.
  • the heat pipe must be arranged with a tilt or vertically.
  • the return can also be due to the wicking of inserted wire mesh and fiber bundles, as described above, take place.
  • These wire meshes and fiber bundles are arranged to be in direct contact with the condensed working liquid.
  • the heat pipe can be arranged arbitrarily spatially.
  • the contact device further comprises a gas-tight, adherent, electrically insulating connection between the wall of the heat pipes and the hot side of the TEE.
  • This connection does not have to be heat-conducting.
  • the connections are preferably solder contacts or welding contacts, which are electrically insulated to the hot side in the manner described above, or electrically insulating, high temperature resistant adhesive layers.
  • connections may have different shapes depending on the arrangement of the heat pipes and depending on the outer shape of the TEE.
  • the compounds are rectangular, square or polygonal, such as hexagonal, when the TEEs have a rectangular, square or polygonal surface.
  • the compounds are round or oval, for example elliptical, when the TEEs have a round or oval surface.
  • the connection of the planarity of the surface of the TEE may be adapted, for example, if it is bent outwards or inwards and / or has a regular or not regular roughness. This can be guaranteed will be that almost the entire surface of the TEE is used for the transmission of thermal energy.
  • TEE low temperature range i. Temperatures up to 250 ° C,
  • the legs of the TEE that are brought into electrical contact with each other are selected by their figure-of-merit according to Equation XII.
  • stands for the Seebeck coefficient
  • is the electrical conductivity
  • is the thermal conductivity of the material in question.
  • p- and n-doped semiconductor materials are used.
  • Examples of well-suited semiconductor materials for the low temperature range are bismuth teturide alloys (Bi 2 Te3).
  • PbTe lead telluride
  • silicon germanium alloys silicon germanium alloys
  • Zintl alloys Zintl alloys
  • thermoelectric element in this case comprises a single TEE or an arrangement of several series or parallel connected TEEs in the form of a so-called thermopile.
  • TEEs are described in detail in US patent US 5,610,366, US patent application US 2010/02299911 A1, international patent application WO 97/44993, German patent application DE 101 12 383 A1 or the company publication of Hi-Z Technology Inc., " Use, Application and Testing or Hi-Z Termoelectric Modutes ", authors: FA Levitt, NB Eisner and JC Bass.
  • thermoelectric modules are used in "egggrate” configuration (egg-box configuration), as described, for example, in international patent application WO 97/44993, page 2, last paragraph, page 15, last paragraph, in conjunction with FIGS. 1A to 14 and 27 will be described.
  • tubular TEEs with a hot outside and a cold inside.
  • one or more TEEs can be thermally contacted simultaneously.
  • the hot side opposite cold side of the TEE is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat-dissipating device. This serves to dissipate and optionally use the remaining supplied thermal energy.
  • heat-dissipating devices are often referred to as "heat sinks”.
  • this contact is accomplished by at least one additional heat pipe, hereinafter the further heat pipe is referred to as a "second heat pipe".
  • the second heat pipe is in one of its ends in electrically insulating, thermally conductive contact with the cold side of the TEE and at its other end in heat-conducting contact with the heat-dissipating device.
  • the above-described heat pipes and contact devices are used. Since the heat pipes and cold side contact devices of the TEE are exposed to lower temperatures than those of the hot side of the TEE, materials other than the hot side may be used.
  • the heat-dissipating devices can be of the most varied nature and construction.
  • inorganic and organic gases such as air, nitrogen, oxygen, noble gases, gaseous carbon dioxide, gaseous ammonia, sulfur hexafluoride, hydrocarbons, fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons or amines; inorganic and organic liquids such as water, salt solutions, ammonia, molten salts, ionic liquids, liquid ammonia, liquid metals and metal alloys, liquid hydrocarbons or liquid fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons, and inorganic and organic sublimable solids such as sublimate, solid carbon dioxide, p Dichlorobenzoi, naphthalene or camphor heat-emitting devices according to the invention.
  • the remaining supplied thermal energy is transmitted via cooling fins on the cooling media. Accordingly, cooling fins are heat-dissipating devices in the context of the invention.
  • the heat-dissipating devices are devices that allow the use of the residual thermal energy supplied.
  • These are particularly preferably heat exchangers, tube cooling bodies, in particular tube cooling bodies for solar thermal systems, motors, turbines or systems for carrying out the Rankine cycle, in particular the organic Rankine cycle, in which comparatively low-boiling organic liquids are used as the working medium.
  • heat radiating radiators and large panel heaters which can be installed under walls, ceilings or floors in the interior and exterior of buildings, are considered as heat dissipating devices.
  • Devices according to the invention constructed in this way can operate their energy-consuming water circuits and circulation pumps themselves or support them in their operation.
  • the electric current generated by the TEEs of the devices of the invention can be used for a variety of purposes. So he can support the operation of the devices according to the invention itself, for example, to operate or support the control electronics.
  • the current may assist the operation of the heat dissipating devices that utilize the residual applied thermal energy as well as the operation of their peripherals.
  • the heat dissipating devices that utilize the residual applied thermal energy as well as the operation of their peripherals.
  • As bet games are electrically operated pumps, cooling units that protect the Queilen thermal energy from overheating, and called motors.
  • the power can be used to charge electrical storage such as batteries, accumulators and electric storage heaters. Overall, the use of waste heat in this way results in significant energy savings.
  • the power can also be used for the operation of external electrical equipment of various kinds such as lighting systems, refrigerators and freezers, air conditioners, heat pumps, circulation pumps, consumer electronics, communication devices such as telephones or mobile phones, computers, laptops or iPads
  • the thermal energy delivered by at least one source of thermal energy is transported by means of at least one heat pipe to the hot side of at least one TEE, wherein an electrical voltage is generated in the TEE.
  • the remaining applied thermal energy is supplied from the cold side of the TEE via an electrically insulating, thermally conductive contact to a heat dissipating device. It is a very particular advantage of the device according to the invention and of the method according to the invention that they can also be operated "reversed".
  • the heat-rejecting device such as a water-containing tube cooler or a heat accumulator
  • the cold side now acts as a hot side.
  • the originally hot side of the TEE now releases the thermal energy to the heat pipe or heat pipes as a cold side.
  • roofs can be heated in winter, for example, to free them from snow loads.
  • the heat pipes then serve as heating elements.
  • inventive devices are used for the inventive method.
  • Figures 1 to 16 are schematic representations intended to illustrate the principle of the invention. The size ratios must therefore not correspond to the size ratios used in practice.
  • Figure 1 shows the flow diagram of a device 1 according to the invention, wherein the source of thermal energy is connected via a heat pipe to the hot side of a thermoelectric element and the cold side of the TEEs is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat-dissipating device.
  • FIG. 2 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the heat pipe is in contact with the hot side of a TEE via a first embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 3 shows a detail of a device 1 according to the invention, in which one end of the heat pipe is in contact with the hot side of a TEE via a second embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 4 shows a section of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the heat pipe is electrically connected via a third embodiment insulating, thermally conductive contact device with the hot side of a TEE is in contact.
  • FIG. 5 shows a section of a device 1 according to the invention, in which one end of the heat pipe is in contact with the hot side of two thermoelectric elements via a fourth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 6 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein one end of the heat pipe is in contact with the hot side of two thermoelectric elements via a fifth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 7 shows a device 1 according to the invention, in which the cold side of a TEE is in the middle of a second heat pipe with a heat-dissipating device in an electrically insulating, heat-conducting contact (5.1).
  • FIG. 8 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of a thermoelectric element via a first embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 9 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of a TEE via a second embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 10 shows a section of a device 1 according to the invention, in which one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of a TEE via a third embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 11 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold two thermoelectric elements via a fourth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 12 shows a section of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of two thermoelectric elements via a fifth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
  • FIG. 13 shows a section of a device 1 according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 13a shows the sectional planes laid by FIG. 3 for the views of FIGS. 13b, 13c and 13d.
  • FIG. 13b shows the longitudinal section through the side view of the detail of the device 1 according to the invention according to FIG. 13.
  • FIG. 13c shows the cross section through the detail of the device 1 according to the invention according to FIG. 13.
  • FIG. 13 d shows the longitudinal section through the view from above onto the detail of the device 1 according to the invention according to FIG. 13.
  • FIG. 14 shows a detail of a vertical arrangement device 1 according to the invention.
  • FIG. 15 shows a section of a device 1 according to the invention, in which the source of thermal energy is a vacuum tube co-octor.
  • FIG. 6 shows a detail of a device 1 according to the invention, in which the sources of thermal energy are oven tiles,
  • CD-C'-D 'plane of the cross section through the section of a device 1 according to the invention according to FIG. 13 EF-E'-F 'plane of the section through the top view of the section of a device 1 according to the invention according to FIG. 13
  • FIG. 1 shows a flow chart which illustrates the functional principle of the device 1.
  • a source of thermal energy 2 was electrically insulated, thermally conductively connected to the hot side 4.1 of a TEE 4 via a heat pipe 3.1 shown in longitudinal section with the walls 3.1.3.
  • the end 3.1.1 of the heat pipe was thermally conductively connected to the source of thermal energy 2. The other end
  • the end 3.1.2 of a heat pipe 3.1 (shown in longitudinal section) whose wall 3.1.3 was made of copper has an electrically insulating one , thermally conductive ceramic comprehensive, the end 3.1.3 adapted device 4.1.1 thermally conductively connected to the hot side 4.1 of the TEE 4.
  • working liquid 3.1 water of a maximum temperature of 250 ° C was used in the heat pipe.
  • the end 3.1.2 was connected to the device 4.1.1 by means of a high temperature resistant adhesive layer (not shown) adherent. The remaining applied thermal energy was supplied via the contact 5.1 of the heat-dissipating device 5 (not shown).
  • FIG. 3 shows is the section of interest from the device 1 there was a direct contact between the hot side 4.1 of the TEE 4 and the interior of the heat pipe 3.1 with the wall
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 4 (shown is the section of interest from the device 1) corresponded to the embodiment according to FIG. 3, except that a structured surface 4.1.2 was still arranged on the hot side 4.1.
  • the structured surface 4.1.2 was formed by thermally conductive grooves made of copper.
  • the thermally conductive grooves were electrically insulated from the hot side 4.1 by a few atomic layers of insulating oxide layer (not shown).
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 5 (shown is the section of interest from the device 1) has a heat pipe 3.1 (shown in longitudinal section) with a wall 3.1.3 made of copper and with water having a maximum temperature of 250 ° C. as a working liquid on. Its end 3.1.2 was as in the open embodiment of Figure 3 with an electrically insulating, heat-conductive contact device 4.1.1 in the form of a plate of thermally conductive ceramic adhesive and gas-tight connected.
  • the plate 4.1.1 made of thermally conductive ceramic was on its opposite side in heat-conducting contact with the hot side of at least two TEE 4, In this way, through the heat pipe 3.1 supplied thermal energy could be distributed efficiently to several TEE.
  • the remaining supplied thermal energy was also supplied here via the cold side 4.2 of the TEE via electrically insulating, heat-conducting contacts 5.1 of the heat-dissipating device 5 (not shown).
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 6 corresponds to the embodiment of the device 1 according to FIG. 5, except that on the surface of the plate 4.1.1 made of thermally conductive ceramic there is still a structured surface 4.1. 2 was arranged.
  • the structured Surface 4.1.2 was formed by thermally conductive rivets of copper. This has further increased the efficiency of heat transfer.
  • FIG. 7 shows a flow chart which illustrates the functional principle of a preferred embodiment of the device 1.
  • a source of thermal energy 2 was connected via a heat pipe 3.1 shown in longitudinal section with the walls 3.1.3 electrically insulating, ebenieitend with the hot side 4.1 of a TEEs 4.
  • the end of the heat pipe 3.1.1 thermally conductive and optionally electrically insulating with the source of thermal energy 2 was connected.
  • the other end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 was connected to the hot side 4.1 electrically insulating.
  • an electrical voltage was generated by the supplied thermal energy, with whose Hiife power could be generated.
  • the remaining supplied thermal energy was connected via the cold side 4.2 of the TEEs 4 by means of a second heat pipe 3.2 with the wall 3.2.3 as an electrically insulating, heat-conducting contact 5.1 with a heat-dissipating device 5.
  • the end 3.2.1 of the heat pipe with the cold side 4.2 was electrically insulating, thermally conductively connected, and the end 3.2.2 was connected to the heat-dissipating device 5 thermally conductive and optionally electrically insulating.
  • the working liquid of the heat pipe 3.2 was vaporized at its end 3.2.1 by the transferred from the cold side 4.2 residual thermal energy supplied and condensed again at the end of 3.2.2, whereby the electrically insulating, heat-conducting contact 5.1 with the heat-dissipating device 5 closed was transferred and the remaining supplied thermal energy to the device 5 for further use.
  • the end 3.2.1 of the heat pipe 3.2 (shown in longitudinal section), whose wall 3.2.3 was made of copper, has an electrically insulating, thermally conductive ceramic comprehensive, the end 3.2.1 adapted device 4.2.1 thermally conductively connected to the cold side 4.2 of the TEEs 4.
  • As working liquid 3.2% of water at a maximum temperature of 250 ° C was used in the heat pipe.
  • the end 3.2.1 was connected to the device 4.2.1 by means of a high temperature resistant adhesive layer (not shown) adherent.
  • the heat pipe 3.1 could with the hot side 4.1 of the TEE 4 in the at previously described embodiments according to the figures 2, 3 or 4 shown manner are connected.
  • the working liquid could evaporate directly on the cold side 4.2, whereby the heat transfer to the heat-dissipating device 5 (not shown) was particularly effective.
  • the remaining applied thermal energy was supplied to the heat-dissipating device 5 (not shown).
  • the heat pipe 3.1 could be connected to the hot side 4.1 of the TEE 4 in the manner shown in the embodiments described above according to the figures 2, 3 or 4.
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 10 (shown is the section of interest from the device 1) corresponded to the embodiment according to FIG. 9, except that a structured surface 4.2.2 was still arranged on the cold side 4.2.
  • the structured surface 4, FIG. 2.2 was formed by thermally conductive grooves made of copper.
  • the thermally conductive grooves 4.2.2 were electrically insulated from the cold side 4.2 by a few atomic layers of insulating oxide layer (not shown). By the thermally conductive grooves 4.2.2, the evaporation rate of the working liquid and thus the efficiency of the transfer of the remaining applied thermal energy to the heat-dissipating device 5 (not shown) could be further increased.
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 11 (shown is the section of interest from the device 1) has a heat pipe 3.2 (shown in longitudinal section) with a wall 3.2.3 made of copper and with water at a maximum temperature of 250 ° C. as a working liquid on. His end was 3.2.1 as in the open embodiment according to the figure 9 with an electrically insulating, thermally conductive contact device 4,2.1 in the form of a plate made of thermally conductive ceramic adherent and gas-tight.
  • the plate 4.2.1 made of thermally conductive ceramic was on its opposite side in heat-conducting contact with the cold side 4.2 at least two TEE 4.
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 12 (shown is the section of interest from the device 1) corresponded to the embodiment of the device 1 according to FIG. 11 except that a structured surface 4.2.2 on the surface of the plate 4.2.1 was still made thermally conductive ceramic was arranged.
  • the structured surface 4.2.2 was formed by thermally conductive grooves made of copper. In this way, the evaporation rate of the working liquid could be further increased, and the efficiency of transferring the residual supplied thermal energy to the heat-dissipating device 5 (not shown) could be further increased.
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 13 (the section of interest from the device 1 shown) had a heat pipe 3.1 with a wall of copper 3.1.3 and water at a maximum temperature of 250 ° C. as a working liquid.
  • the wall 3.1.3 was coated inside the heat pipe 3.1 with a wicking capillary structure 3.1.4 constructed of a nanoporous material.
  • the capillary structure 3.1.4 served the return transport of the condensed at the end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 working liquid to its end 3.1.1 (not shown), where it is re-evaporated by the thermal energy from the source 2 (not shown) supplied thermal energy has been.
  • the heat pipe 3.1 horizontally connected to the hot side 4.1 of a TEE 4 via the contact device 4.1.1 electrically insulating and thermally conductive and adherent and gas-tight.
  • the contact device 4.1.1 comprised a sheet-like soldering contact (not shown), which was insulated from the hot side 4.1 by a strong, electrically insulating oxide layer (not shown) that had a few atomic amounts.
  • FIG. 13a shows the slicing planes AB-A'-B ', CD-C'-D' and EF-E'-F 'produced by the device 1 according to FIG. 13 for producing FIGS. 13b, 13c and 13d.
  • the sectional planes AB-A'-B ' here mean the plane of the longitudinal section through the side view of the detail of a device 1 according to the invention according to FIG. 13,
  • the sections AB-A'-B 'according to FIG. 13b, CD-C'-D' according to FIG. 13c and EF-E'-F 'according to FIG. 13d show that the device 1 according to FIG was an open embodiment in which the hot side 4.1 of the TEEs 4 was in direct contact with the inside of the heat pipe 3.1 (open embodiment).
  • the heat pipe 3.1 had a wall 3.1.3 made of copper, a capillary structure 3.1.4 with wicking and water of a maximum temperature of 250 ° C as a working liquid.
  • a structured surface 4.1, 2 which was formed by grooves made of thermally conductive ceramic.
  • the electrically insulating, heat-conducting contact device 4.1.1 also extended below the structured surface 4.1.2. This increased the evaporation rate of the condensed working fluid and increased the efficiency of transmitting the thermal energy delivered by the source of thermal energy 2 (not shown).
  • the electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 of the cold side 4.2 of the TEE 4 with the heat dissipation device 5 (not shown) could be produced as described in the embodiments described above according to FIGS. 8, 9 and 10.
  • the device 1 could be operated according to Figure 13 only in inclined or vertical orientation, so that the return transport of the condensing working liquid was carried out by gravity.
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 14 had on the hot side 4.1 of the TEU 4 a heat pipe 3.1 which, as described in the open embodiment of FIGS. 13 and 13b, 13c and 13d, in FIG electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side was 4.1.
  • the heat pipe 3.1 served to transmit the thermal energy delivered by the source of thermal energy 2 (not shown) to the TEE 4.
  • the electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 between the cold side 4.2 of the TEU 4 and the heat-dissipating device 5 ⁇ not shown) was taken over by the heat pipe 3.2 with the wall 3.2.3 of copper and water of a maximum temperature of 250 ° C as a working liquid.
  • the heat pipe 3.2 was connected in the region of its end 3.2.1 with the cold side 4.2 via the contact device 4.2.1 electrically insulating and thermally conductive.
  • the embodiment of the heat pipe 3.2 and its contact with the cold side 4.2 corresponded exactly to the open embodiment of Figures 13 and 13b, 13c and 13d. This can be illustrated in a simple manner, if in FIG. 13b the reference numbers relating to the heat pipe 3.1 and the hot side 4.1 are replaced by the reference numbers referring to the heat pipe 3.2 and to the cold side 4.2.
  • the embodiment of the device 1 according to FIG. 15 has a vacuum tube collector as the source of the thermal energy 2.
  • the vacuum tube co-former 2 comprised a vacuum tube 2.1 as a thermally insulating jacket.
  • the absorber layer 2.2 was thermally and mechanically connected to the heat pipe 3.1 via heat-conducting centering devices 2.3.
  • the interior of the vacuum tube collector 2 was closed by the cap 2.4.
  • the heat pipe 3.1 had a wall 3.1.3 made of copper, on the inside of the wall 3.1.3 a capillary structure 3.1.4 with wicking and water of a maximum temperature of 250 ° C as working liquid.
  • the over the cap 2.4 protruding part of the heat pipe 3.1 was connected by means of the contact device 4.1.1 with the hot side 4.1 of the TEEs electrically insulating and thermally conductive.
  • the Contacting device 4.1, 1 comprised a soldering contact 4.1.1.3, a metal layer 4.1.1.2 and an electrically insulating, heat-conducting body (4.1.1.1 made of ceramic.)
  • the metal layer 4.1.1.2 was adhesively bonded to the distributor layer 4.1.1.1 Insulating, thermally conductive contact 5.1 of the cold side 4.2 of the TEE 4 with the heat dissipating device 5 (not shown) could, as described in the embodiments described above according to Figures 8 to 12, are prepared.
  • the source of the thermal energy 2 comprised several (here four) oven tiles. These had on their back each a meandering heat pipe 3.1 with the ends 3.1. and 3.1.2 on.
  • the heat pipes 3.1 were connected at their ends 3.1.2 with the hot side 4.1 of a TEE electrically insulating and thermally conductive.
  • the contact could, as described in the embodiments according to Figures 2 to 6, are produced.
  • the electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 of the cold side 4.2 of the TEEs 4 with the heat-dissipating device 5 could, as described in the embodiments described above according to Figures 8 to 12, are prepared.
  • the devices according to the invention, in particular the devices 1 according to FIGS. 1 to 16, have numerous surprising advantages.
  • the line resistance RL was equal to or nearly equal to 0.
  • all the thermal energy was available for conversion to electrical power. This increased the yield of electrical energy because the Carnot efficiency r ⁇ c was maximal (see equation il).
  • the TEEs could now be provided directly with thermally highly conductive, structured surfaces 4.1.2 such as layers of nanoparticles or groove-like heat exchangers, on which the hot side 4.1 of the TEE 4 Condensation and on the cold side 4.2 of the TEE 4 the evaporation of the working liquid took place. Because the rilies or the nanoparticles! 4.1.2 was not a massive system, there were no problems with different coefficients of expansion. Since the housings of the heat pipes 3.1 and 3.2 were hollow, they could be formed to exert only small mechanical forces on the TEE 4, and therefore the resulting mechanical stresses and thus material fatigue could be minimized.
  • metallic heat exchangers 4.1.2 could be soldered directly to the surfaces 4.1 and 4.2 of the TEE 4, whereby the contact resistance could be further reduced. This opens up further new possibilities for the optimization of the devices according to the invention.
  • the line resistance R L of the heat pipes 3.1 and 3.2 could be practically neglected, it was no longer dependent on the immediate spatial proximity of the sources of thermal energy 2 and TEE 4 on the one hand and the heat-dissipating devices 5 and TEE 4 on the other hand, but the TEE could be mounted in the devices 1 to structurally favorable Stelien.
  • the TEEs 4 as electrical components could be better separated from any liquids present in the heat-dissipating devices 5.
  • the safety of the devices 1 could be significantly increased. This was particularly important in the case of electrically conductive liquids such as water in order to avoid grounding of the device 1.
  • the maintenance and cleaning of the fluid channel of such heat dissipating devices 5 as well as the associated electrical systems has been simplified.
  • the devices 1 through the use of flexible heat pipes 3.1 and 3.2.
  • the heat pipes could still be coated with suitable coating materials after their shaping.
  • the devices 1 could be made much lighter and smaller and thus cheaper than prior art devices with comparable thermal and electrical performance.
  • the thermal insulation of the components of the devices 1 and the devices 1 as a whole could be significantly simplified because of all these advantages.
  • the use of hollow components such as the heat pipes and 3.1 and 3.2, the occurrence of thermal stresses in the device 1 could be avoided.

Abstract

The invention relates to a device (1) as per figure 1 for directly generating electrical energy from thermal energy, comprising at least one source of thermal energy (2), at least one heat pipe (3.1), at least one thermoelectric element (4), and at least one heat-dissipating device (5), wherein the heat pipe (3.1) is in thermally conductive contact with the source of thermal energy (2) at one end (3.1.1) of the heat pipe and is in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (4.1) of the thermoelectric element (4) at the other end (3.1.2) of the heat pipe, and wherein the cold side (4.2) of the thermoelectric element (4) opposite the hot side (4.1) is in electrically insulating, thermally conductive contact (5.1) with the heat-dissipating device (5). The invention further relates to a method for directly generating electrical energy from thermal energy.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie  Apparatus and method for direct generation of electrical energy from thermal energy
Die vorliegende Erfindung betrifft eine neue Vorrichtung und ein neues Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie. The present invention relates to a new apparatus and method for directly producing electrical energy from thermal energy.
Stand der Technik State of the art
Verfahren und Vorrichtungen zur direkten Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie unter Nutzung eines Temperaturgradienten (Seebeck-Effekt) sowie geeignete Materialien für die Herstellung solcher Vorrichtungen sind z.B. aus dem amerikanischen Patent US 5,610,366, der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/02299911 A1 , der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing of Hi-Z Thermoelectric Modules", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Eisner und J. C. Bass, bekannt. Methods and apparatus for directly generating electrical energy from thermal energy utilizing a temperature gradient (Seebeck effect) as well as suitable materials for the manufacture of such devices are known e.g. from US patent US 5,610,366, US patent application US 2010/02299911 A1, international patent application WO 97/44993, German patent application DE 101 12 383 A1 or the company publication of Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing of Hi-Z Thermoelectric Modules ", authors: FA Levitt, NB Eisner and JC Bass, known.
Diese Vorrichtungen weisen bekanntermaßen so genannte Peltier-E!emente oder thermoelektrische Elemente (TEE) auf. Grundsätzlich enthält ein TEE zwei Beine (legs) aus verschiedenen thermoetektrischen Materialien mit unterschiedlichen Seebeck- Koeffizienten, die an einer Kontaktstelle oder in einem Kontaktbereich elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Eine im Vergleich zur Temperatur der anderen Enden der Beine erhöhte Temperatur im Kontaktbereich bewirkt aufgrund des thermoelektrischen Effekts eine elektrische Spannung (Thermospannung) zwischen den beiden thermoelektrischen Materialien. Bei geschlossenem Stromkreis fließt dann ein elektrischer Strom. Ein TEE kann aus mehreren solcher Peltier-Elemente aufgebaut sein, die in Serie und/oder oder parallel geschattet sein können, um eine höhere Thermospannung oder einen höheren Strom zu erzielen. In den meisten Fällen wird eine Kombination von beiden Verschaltungen verwendet. Bei der Serienschaltung befindet sich an beiden Seiten der Beine ein Kontaktbereich, der von den anderen Beinen elektrisch isoliert sein muss. These devices are known to have so-called Peltier elements or thermoelectric elements (TEE). Basically, a TEE includes two legs made of different thermoelectric materials having different Seebeck coefficients electrically connected to one another at a pad or in a contact region. An elevated temperature in the contact area compared to the temperature of the other ends of the legs causes an electrical voltage (thermal voltage) between the two thermoelectric materials due to the thermoelectric effect. When the circuit is closed then flows an electric current. A TEE can be made up of several such Peltier elements, which can be shaded in series and / or in parallel to achieve a higher thermoelectric voltage or higher current. In most cases, a combination of both interconnections is used. When connected in series, there is a contact area on both sides of the legs, which must be electrically isolated from the other legs.
Die bekannten Vorrichtungen zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie umfassen daher im Allgemeinen mindestens ein TEE, das in seinem Kontaktbereich in thermischem Kontakt mit einer Quelle thermischer Energie und mit der gegenüberliegenden Seite in thermischem Kontakt mit einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung steht, die die zufließende thermische Energie abtransportiert oder anderweitig nutzt. Diese Konfiguration "Quelle thermischer Energie TEE/wärmeabsorbierende Vorrichtung" gestattet wegen der hohen Anzahl von Wärmequellen einerseits und wärmeabsorbierenden Vorrichtungen andererseits eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere als autarke, von einem elektrischen Verteiler unabhängige Quellen elektrischer Energie. The known devices for the direct generation of electrical energy therefore generally comprise at least one TEE which is in thermal contact with a source of thermal energy in its contact region and in thermal contact with a heat absorbing device which removes the incoming thermal energy or with the opposite side otherwise uses. This configuration "source of thermal energy TEE / heat absorbing device" on the other hand, due to the high number of heat sources on the one hand and heat absorbing devices on the other hand, a variety of applications, especially as a self-sufficient, independent of an electrical distributor sources of electrical energy.
Dabei kommen als Quelle thermischer Energie so unterschiedliche Vorrichtungen wie - durch die Sofarthermie erhitzte photovoltaische Zellen oder Solarzellen; im Allgemeinen weisen die betreffenden Vorrichtungen die Konfiguration The sources of thermal energy are devices as diverse as: photovoltaic cells or solar cells heated by sofartherm; In general, the devices in question have the configuration
"Solarzelle/elektrisch isolierende, wärmeleitende Schicht/TEE/eiektrisch isolierende, wärmeleitende Schicht/wärmeabsorbierende Vorrichtung" auf (vgl. die amerikanischen Patentanmeldungen US 2011/0048488 A1 und US 2011/0048489 A1 oder die amerikanischen Patentschriften US 7,875,795 B2, US 4,106,952 und US 3,956,017), - die Abwärme von Motorblöcken, Auspuffanlagen, Rauchrohren, Abgaskaminen, Öfen oder Behältern mit Materialien, die bei Phasenumwandlungen thermische Energie liefern (vgl. die deutsche Patentanmeldung DE 199 46 806 A1, die internationalen Patentanmeldungen WO 99/36735 und WO 01/80325 A1 , die amerikanische Patentanmeldung US 2006/0266404 A1 oder die amerikanischen Patente US 6,232,545 B1 , US 6,624,349 B1 , US6,527,548 B1 und US 6,053,163) oder "Solar cell / electrically insulating heat-conducting layer / TEE / electrically insulating, heat-conducting layer / heat-absorbing device" (see US patent applications US 2011/0048488 A1 and US 2011/0048489 A1 or US patents US 7,875,795 B2, US 4,106,952 and US 3,956,017), - the waste heat of engine blocks, exhaust systems, flue pipes, flue gas, furnaces or containers with materials that provide thermal energy during phase transformations (see German Patent Application DE 199 46 806 A1, International Patent Applications WO 99/36735 and WO 01 / 80325 A1, the American patent application US 2006/0266404 A1 or the US patents US 6,232,545 B1, US 6,624,349 B1, US6,527,548 B1 and US 6,053,163) or US Pat
Sonnenkolfektoren, insbesondere Flachkollektoren (vgl. die amerikanische Patentanmeldung US2010/0300504 A1 , die europäische Patentanmeldung EP 2 239 187 A1 oder die deutschen Patentanmeldung DE 10 208 009 979 A1 , DE 36Sonnenkolfektoren, in particular flat plate collectors (see the American patent application US2010 / 0300504 A1, the European patent application EP 2 239 187 A1 or the German patent application DE 10 208 009 979 A1, DE 36
19 127 A1 und DE 37 04 559 A1) in Betracht. Ebenso vielfältig sind die wärmeabsorbierenden Vorrichtungen. Sie reichen von Flusswasser, Meerwasser oder anderen Flüssigkeiten, Luft oder anderen Gasen, Salzschmelzen, Kühlrippen oder Wärmetauschern bis hin zu Rohrkühlkörpern (vgl. die vorstehend zitierten Patentschriften). 19 127 A1 and DE 37 04 559 A1) into consideration. Equally diverse are the heat absorbing devices. They range from river water, seawater or other liquids, air or other gases, Salt melts, cooling fins or heat exchangers up to tube cooling bodies (see the patents cited above).
Diese bekannten Vorrichtungen zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie weisen den Nachteil auf, dass die Leitung der thermischen Energie von ährer Quelle zu der "heißen" Seite des TEEs und ihre Ableitung von der "kalten" Seite des TEEs zur wärmeabsorbierenden Vorrichtung (Wärmesenke) vergleichsweise ineffektiv sein kann, was den Wirkungsgrad der bekannten Vorrichtungen verringert. Die obere Grenze des Wirkungsgrades eines thermoelektrisches Element, dass Strom erzeugt ist nämlich durch die Gleichung I gegeben in der Gleichung I bedeuten die Variablen Tm, Tc und TH die mittlere Temperatur des TEEs, die Temperaturen der heißen Seite und die Temperatur an der kalten Seite. Gleichung I These known devices for direct generation of electrical energy from thermal energy have the disadvantage that the conduction of the thermal energy from the source of heat to the "hot" side of the TEE and its discharge from the "cold" side of the TEE to the heat absorbing device (heat sink ) may be relatively ineffective, which reduces the efficiency of the known devices. The upper limit of the efficiency of a thermoelectric element that generates electricity namely given by the equation I in the equation I, the variables T m , T c and TH mean the mean temperature of the TEE, the temperatures of the hot side and the temperature at the cold Page. Equation I
_ erzeugter elektrischer Energy _  _ generated electrical energy _
Waerme Energie absorbiert an der heissen Seite c ^ + zrm ! /: T. Heat energy absorbs on the hot side c ^ + zr m ! /: T.
Der Carnot- Wirkungsgrad rjc ist durch die Gleichung II gegeben: The Carnot efficiency rjc is given by Equation II:
Gleichung II Equation II
1 H 1 H
Der Wirkungsgrad wird ausserdem stark beeinträchtigt von dem thermischen Widerstand zwischen der heißen TEE-Elektrode und der Wärmequelle mit der Temperatur THH, und dem Widerstand zwischen der kalte TEE-Elektrode und der Wärmeableitung bei der Temperatur Tcc- Bei gleichem thermischen Widerstaend Ri wird der gesamte thermische Widerstand durch die Gleichung Iii angegeben, worin RTEE = thermischer Widerstand des TEEs. The efficiency is also severely affected by the thermal resistance between the hot TEE electrode and the heat source with the temperature THH, and the resistance between the cold TEE electrode and the heat dissipation at the temperature Tcc- at the same thermal resistance Ri, the entire thermal Resistance indicated by the equation Iii, where RTEE = thermal resistance of the TEEs.
Gleichung III Rgesamt - 2Rl + RTEE! Equation III Total - 2Rl + RTEE!
Dadurch wird der Wärmestrom durch das TEE gemäß den Gleichungen IV und V reduziert von This reduces the heat flow through the TEE according to Equations IV and V of
Gleichung IVEquation IV
Figure imgf000006_0001
auf
Figure imgf000006_0001
on
Gleichung VEquation V
Figure imgf000006_0002
Figure imgf000006_0002
Dadurch reduziert sich der Temparturabfall über das TEE gemäß den Gleichungen Vi und VII von This reduces the temperature drop across the TEE according to equations Vi and VII of
Gleichung VI Equation VI
auf on
Gleichung VIIEquation VII
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Der wichtigste Einflussfaktor auf den Wirkungsgrad des TEE ist gemäß Gleichung VII! der Carnot-Wirkungsgrad. Dieser ändert sich deshalb von Gleichung II auf
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The most important factor influencing the efficiency of the TEE is according to equation VII! the Carnot efficiency. This therefore changes from equation II
Gleichung VII I Equation VII I
ηο = (THH-TCC) THH auf ο -[1 /(1 +2RI/RTEE)][(THH-TCC)/THH3- ηο = (THH-TCC) THH on ο - [1 / (1 + 2RI / RTEE)] [(THH-TCC) / THH3-
So ist für 2Ri = O. SRTEE η0 um 31 % reduziert und für 2Ri = RTEE sogar um 47%, Thus for 2Ri = O. SRTEE η 0 is reduced by 31% and for 2Ri = RTEE even by 47%,
Der thermische Widerstand Ri setzt sich gemäß Gleichung IX aus dem Kontakt- oder Übergangswiderstand Rhi zwischen dem TEE und dem thermischen Leiter an einem Ende, dem Kontakt- oder Übergangswiderstand Rh2 zwischen dem Wärmelester und der Wärmequelte am anderen Ende und dem Wärmewiderstand RL des Wärmeleiters selbst zusammen. The thermal resistance Ri is set according to equation IX from the contact or contact resistance Rhi between the TEE and the thermal conductor at one end, the contact or contact resistance Rh2 between the heat sealer and the Heat sources at the other end and the thermal resistance R L of the heat conductor itself together.
Gleichung !XEquation! X
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Die einfachsten thermischen Leiter sind metallische Leiter mit großem Querschnitt AL, damit der Leitungswiderstand gemäß Gleichung X klein bleibt. In der Gleichung XI steht ki. für die Wärmeleitungszah! des metallischen Leiters und L für dessen Länge. The simplest thermal conductors are metal conductors with a large cross section AL, so that the line resistance according to equation X remains small. In the equation XI ki stands. for the Wärmeleitungszah! of the metallic conductor and L for its length.
Gleichung X Equation X
RL=kL/AL. R L = k L / A L.
Übliche, kostengünstige Materialien mit hohen kL-Werten sind Cu oder AI. Damit der Leitungswiderstand RL klein genug bleibt, sollte der Querschnitt AL gross sein. Common, inexpensive materials with high k L values are Cu or Al. So that the line resistance RL remains small enough, the cross section AL should be large.
Der thermische Kontaktwiderstand zwischen Festkörpern wird gemäß Gleichung X! vom engen Kontakt zwischen den Matersalen der beiden Seiten des Kontakts bestimmt, wobei alle Einflüsse in dem thermischen Kontaktkoeffizienten hc zusammengefasst werden, und der Fläche A des Kontakts. The thermal contact resistance between solids is calculated according to equation X! determined by the close contact between the materials of the two sides of the contact, where all the influences are summarized in the thermal contact coefficient h c , and the area A of the contact.
Gleichung XI Equation XI
Der thermische Kontakt wird generell verbessert, d.h. hc wird größer, mit der Anzahl der Berührungspunkte zwischen den zwei Kontaktflächen. Dazu kann mit hohem Druck durch Zusammenpressen der Kontaktflächen der thermische Kontakt erhöht werden. Auch eine verringerte Oberflächenrauhigkeii, die Reinigung der Kontaktflächen und eine Oberfläche hoher Güte und Planarität führen zu einer gewissen Verbesserung, Häufig wird eine thermisch gut leitende Paste auf der Basis von Polymeren, die metallhaltige Partikel enthalten, verwendet, um auch die verbleibenden "Wärmeieitungslöcher" im Kontakt auf aufzufüllen. The thermal contact is generally improved, ie h c increases, with the number of points of contact between the two contact surfaces. For this purpose, the thermal contact can be increased with high pressure by compressing the contact surfaces. Reduced surface roughness, cleaning of the contact surfaces and a surface of high quality and planarity also lead to a certain improvement. Frequently, a thermally highly conductive paste based on polymers containing metal-containing particles is used in order to remove the remaining "heat-dissipation holes" in the process Contact us.
Der thermische Kontaktwiderstand Rh zwischen Festkörpern und Flüssigkeiten oder Gasen wird von der Ausführung des Kühlkörpers, den Eigenschaften der Gase und Flüssigkeiten sowie den Strömungseigenschaften (forcierte Strömung, Konvektionsströmung oder turbulente oder laminare Strömung) bestimmt. The thermal contact resistance Rh between solids and liquids or gases is determined by the design of the heat sink, the properties of the gases and Liquids and the flow characteristics (forced flow, convection or turbulent or laminar flow) determined.
Die Nachteile der Anwendung von Druck sind zahlreich. The disadvantages of using pressure are numerous.
So ist ein aufwändiger mechanischer Aufbau notwendig, um dauerhaft ausreichenden Druck zu erzielen. Im Fall des TEEs besteht dann die gesamte Anordnung aus vergleichsweise schweren metailischen thermischen Kontakten und dem TEE selbst, das überwiegend aus keramischen Teilen aufgebaut ist. Beim Erhitzen der heißen Seite des TEEs ändern sich, bedingt durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der metallischen und keramischen Materialien, die mechanische Spannungen. Dies kann zum Bruch des TEEs führen; auf jeden Fall führen die mechanischen Spannungen zur Materialermüdung. Ausserdem ändert sich der thermische Kontakt während der Erwärmung, weil sich der Druck ändert. Die Anwendung einer thermisch leitenden Paste kann dieses Problem nur teilweise beheben. Thus, a complex mechanical structure is necessary to achieve permanently sufficient pressure. In the case of the TEE, the entire assembly then consists of comparatively heavy metal thermal contacts and the TEE itself, which is predominantly made up of ceramic parts. When the hot side of the TEE is heated, the mechanical stresses change due to the different thermal expansion coefficients of the metallic and ceramic materials. This can lead to breakage of the TEE; In any case, the mechanical stresses lead to material fatigue. In addition, the thermal contact changes during heating, because the pressure changes. Applying a thermally conductive paste can only partially solve this problem.
Der Kontaktwiderstand Rh wird auch erniedrigt, indem man das TEE und den Wärmeleiter direkt mittels einer LÖt- oder Schweissverbindung miteinander verbindet. Durch die direkte metallische Verbindung ist der hc Wert sehr groß und damit ist Rh klein. Rh kann nicht durch Vergrößerung der Kontaktfläche verringert werden, weil diese durch die Dimensionen des TEEs begrenzt wird. Während des Schweißens oder Lötens entstehen hohe Temperaturen, die zu Spannungen innerhalb des Materials bei niedriger Betriebstemperatur führen. Ebenso können sich die verschweißten oder gelöteten Teile nicht mehr durch relative Bewegungen gegeneinander entspannen. Ausserdem kann man das System nicht mehr ohne weiteres zerlegen, z.b. für eine Reparatur oder ein späteres Recycling. The contact resistance Rh is also lowered by connecting the TEE and the heat conductor directly to each other by means of a soldering or welding connection. Due to the direct metallic compound, the h c value is very large and thus R h is small. R h can not be reduced by increasing the contact area because this is limited by the dimensions of the TEE. During welding or soldering, high temperatures are generated which lead to stresses within the material at low operating temperatures. Likewise, the welded or soldered parts can not relax by relative movements against each other. In addition, you can not dismantle the system easily, for example for a repair or a later recycling.
In der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/0300504 A1 wird ein Flachkollektor vorgeschlagen, der eine der Sonne zugewandten vorderen Teil mit einem Sonnenkol!ektor, d.h. einem Absorber von Solarenergie, einen mittleren Teil mit TEE und einen rückwärtigen Teil mit Kühlelementen aufweist. Der Sonnenkollektor kann aus so unterschiedlichen Materiaiien wie Metall, Zement, Beton, Ziegeln, Porzellan, Keramik oder Kunststoff bestehen. Außerdem kann der Sonnenkollektor noch mit einem transparenten Material bedeckt sein, um den Treibhauseffekt zu nutzen. Um die Leitung der thermischen Energie zu und von den einzelnen Teilen zu verbessern, werden sie unter Druck durch Befestigungselemente zusammengefügt. Bekanntermaßen treten aber bei solchen Sonnenkollektoren Temperaturunterschiede zwischen der Vorderseite und der rückwärtigen Seite von bis zu 400°C auf. Da bei den aus US 2010/0300504 A1 bekannten SonnenkoHektoren aber Materiaien unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sozusagen unter Zwang zusammengefügt werden sollen, besteht in hohem Maße die Gefahr, dass die durch die hohen Temperaturdifferenzen und die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufenen mechanischen Spannungen früher oder später zu einer Schädigung der Sonnenkollektoren führen können, was ein wesentlicher Nachteil ist. In the US patent application US 2010/0300504 A1, a flat collector is proposed, which has a sun-facing front part with a Sonnenkol! Ektor, ie an absorber of solar energy, a middle part with TEE and a rear part with cooling elements. The solar collector can consist of materials as diverse as metal, cement, concrete, bricks, porcelain, ceramics or plastic. In addition, the solar panel can still be covered with a transparent material to use the greenhouse effect. To improve the conduction of the thermal energy to and from the individual parts, they are joined under pressure by fasteners. As is known, however, occur in such solar panels temperature differences between the front and the rear side of up to 400 ° C. However, since materials of different coefficients of thermal expansion are to be joined under duress in the solar vectors known from US 2010/0300504 A1, there is a high risk that the mechanical stresses caused by the high temperature differences and the different coefficients of thermal expansion sooner or later lead to damage which can lead solar panels, which is a major drawback.
Um die Nachteile, die mit der Anwendung von Druck verbunden sind, zu beheben, wird in dem amerikanischen Patent US 6,32,545 B1 eine schindeiförmige elektrische Netzwerkanordnung vorgeschlagen, die ein terrassenförmiges Substrat, einen isolierenden Film, eine Metallschicht aus Kupfer und thermophotovoltaische Zellen umfasst, die mit der Kupferschicht verbunden sind. Um durch unterschiedliche thermischer Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene mechanischen Spannungen zu vermeiden, werden für die einzelnen Komponenten der Netzwerkanordnung Materialien mit ähnlichen Ausdehnungskoeffizienten verwendet. So werden beispielsweise im Falle von GaSb-Zellen Cu/Invar/Cu-Laminate oder AlSiC als Substratmaterial verwendet. Nachteilig ist hierbei die eingeschränkte Auswahl der Materialien. In order to overcome the disadvantages associated with the application of pressure, US Pat. No. 6,322,545 B1 proposes a bifurcated electrical network arrangement comprising a terraced substrate, an insulating film, a copper metal layer and thermophotovoltaic cells. which are connected to the copper layer. In order to avoid mechanical stresses caused by different thermal expansion coefficients, materials with similar coefficients of expansion are used for the individual components of the network arrangement. For example, in the case of GaSb cells, Cu / Invar / Cu laminates or AlSiC are used as the substrate material. The disadvantage here is the limited choice of materials.
Ein Wärmerohr (heatpipe) ist ein gasdicht verschlossenes Bauteil, mit dem thermische Energie oder Wärme sehr effizient von einem Ort zu einem anderen transportiert werden kann. Es kann eine 100 bis 1000 mal höhere Wärmeenergie transportieren als ein Bauteil gleicher geometrischer Abmessungen aus massivem Kupfer. Das Wärmerohr nutzt den physikalischen Effekt, dass beim Verdampfern und Kondensieren einer Flüssigkeit sehr hohe Energiemengen umgesetzt werden. Das Wärmerohr ist innen hohl und mit einer kleinen Menge Flüssigkeit, der "arbeitenden" Flüssigkeit , gefüllt. Diese steht unter ihrem Dampfdruck, der bei niedrigen Temperaturen deutlich unter dem atmosphärischen Druck liegen kann. Die Innenwand des Wärmerohres kann mit einer Kapillarstruktur - vergleichbar mit einem Docht - bedeckt sein. Diese Kapillarstruktur ist mit einem flüssigen Wärmetransportmittel, der "arbeitenden" Flüssigkeit, gesättigt. Wird an einer Stelle des Wärmerohres Energie zugeführt, verdampft dort die "arbeitende" Flüssigkeit aus der Kapiilarstruktur. Der Dampf strömt in Richtung des Temperaturgefälles und kondensiert überall dort unter Abgabe der Verdampfungswärme, wo Energie abgeführt wird. Das Kondensat, das verflüssigte Wärmetransportmittel, wird von der Kapiilarstruktur aufgesaugt, fließt zurück, um erneut zu verdampfen. Es schließt sich ein Kreislauf, der sehnet! zirkulierend sehr effektiv thermische Energie transportiert. A heat pipe is a gas-tight component that can be used to transport thermal energy or heat very efficiently from one place to another. It can transport 100 to 1000 times higher thermal energy than a component of the same geometric dimensions made of solid copper. The heat pipe uses the physical effect that very large amounts of energy are converted when evaporating and condensing a liquid. The heat pipe is hollow inside and filled with a small amount of liquid, the "working" liquid. This is under its vapor pressure, which can be well below the atmospheric pressure at low temperatures. The inner wall of the heat pipe can be covered with a capillary structure - comparable to a wick. This capillary structure is saturated with a liquid heat transport medium, the "working" liquid. If energy is supplied at one point of the heat pipe, the "working" liquid from the capillary structure evaporates there. The steam flows in the direction of the temperature gradient and condenses everywhere by releasing the heat of vaporization, where energy is dissipated. The condensate, the liquefied heat transfer medium, is absorbed by the capillary structure, flows back to re-evaporate. It closes a cycle that yearns! circulating very effectively transported thermal energy.
Die Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfungs- und Kondensationszone im Wärmerohr ist sehr gering, so dass die Wärmeieitung isotherm erfolgen kann. The temperature difference between the evaporation and condensation zone in the heat pipe is very low, so that the heat dissipation can be done isothermally.
Je nachdem, in weichem Temperaturbereich gearbeitet wird, werden unterschiedliche "arbeitende" Flüssigkeiten verwendet, wie zum Beispiel Wasser im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600°K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170°K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800°K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000°K. Wärmerohre können beispielsweise in Peltierelement Heat pipe-Kühlsystemen verwendet werden. Depending on the temperature range used, different "working" liquids are used, such as water in the temperature range of about 170 to 600 ° K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170 ° K, mercury in the temperature range of 400 to 800 ° K or lithium or silver in a temperature range above 1000 ° K. Heat pipes can be used, for example, in Peltier element heat pipe cooling systems.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zu Grunde, eine neue Vorrichtung und neues Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie vorzuschlagen, die die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufweisen, sondern die einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Energiequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE) sowie die effiziente Ableitung der zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbierenden Vorrichtung gestatten. Dabei soll die Auswahl der zum Aufbau der neuen Vorrichtung verwendeten Materialien im Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterliegen. Dennoch sollen in der neuen Vorrichtung und bei dem neuen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene thermische Spannungen auftreten, insgesamt sollen die neue Vorrichtung und das neue Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik aufweisen, Die erfindungsgemäße Lösung Demgemäß wurde die neue Vorrichtung (1) zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie gefunden, die mindestens eine Queile thermischer Energie (2), mindestens ein Wärmerohr (3.1), mindestens ein thermoelektrisches Element (4) und - mindestens eine wärmeableitende Vorrichtung (5) umfasst, wobei das Wärmerohr (3.1) mit seinem einen Ende (3.1.1) in wärmeleitendem Kontakt mit der Quelle thermischer Energie (2) und mit seinem anderen Ende (3.1.2) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite (4.1) des thermoelektrischen Elements (4) steht und wobei die der heißen Seite (4.1) gegenüberliegende kalte Seite (4.2) des thermoelektrischen Elements (4) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt (5.1) mit der wärmeableitenden Vorrichtung (5) steht. Object of the present invention The object of the present invention was to propose a new apparatus and method for the direct production of electrical energy from thermal energy, which no longer has the disadvantages of the prior art, but the particularly efficient transport of the thermal Allow energy from the energy source to a thermoelectric element (TEE) as well as efficient dissipation of the supplied thermal energy from the TEE to a heat absorbing device. The selection of the materials used to construct the new device should be subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, no or only negligibly small, caused by different thermal expansion coefficients thermal stresses occur in the new device and the new method, all in all, the new device and the new method should have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art, The inventive solution Accordingly, the new device (1) for the direct generation of electrical energy from thermal energy has been found which comprises at least one line of thermal energy (2), at least one heat pipe (3.1), at least one thermoelectric element (4) and - at least one heat-dissipating device ( 5), wherein the heat pipe (3.1) with its one end (3.1.1) in thermally conductive contact with the source of thermal energy (2) and with its other end (3.1.2) in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (4.1) of the thermoelectric element (4) and wherein the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the thermoelectric element (4) in electrically insulating, thermally conductive contact (5.1) with the heat dissipating device (5).
Im Folgenden wird die neue Vorrichtung zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie als »erfindungsgemäße Vorrichtung« bezeichnet. In the following, the new device for the direct generation of electrical energy from thermal energy is referred to as "device according to the invention".
Außerdem wurde das neue Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie gefunden, bei dem die von mindestens einer Quelle der thermischen Energie (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3.1 ) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) über einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Kontakt (5.1) einer wärmeabieitetenden Vorrichtung (5) zugeführt wird. im Folgenden wird das neue Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie als "erfindungsgemäßes Verfahren" bezeichnet. Vorteile der Erfindung In addition, the new method of directly producing electrical energy from thermal energy has been found, in which the thermal energy delivered by at least one source of thermal energy (2) by means of at least one heat pipe (3.1) to the hot side (4.1) of at least one thermoelectric element (4) is transported, by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element (4) an electrical voltage is generated and the remaining supplied thermal energy from the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) via an electrically insulating, thermally conductive contact (5.1) of a heat dissipating device (5) is supplied. In the following, the new method for the direct generation of electrical energy from thermal energy is referred to as the "method according to the invention". Advantages of the invention
Im Hinblick auf den Stand der Technik war es überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar, dass die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zu Grunde lag, mäthilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst werden konnte. In view of the prior art, it was surprising and unforeseeable for the skilled person that the object underlying the present invention could be solved by means of the device according to the invention and the method according to the invention.
Insbesondere war es überraschend, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren die Nachteile des Standes der Technik nicht mehr länger aufwiesen, sondern einen besonders effizienten Transport der thermischen Energie von der Energiequelle zu einem thermoelektrischen Element (TEE), sowie die effiziente Ableitung der restlichen zugeführten thermischen Energie von dem TEE zu einer wärmeabsorbäerenden Vorrichtung gestatteten. Dabei war die Auswahl der zum Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Materialien im Hinblick auf ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten weniger oder keinen Einschränkungen unterworfen. Dennoch traten in der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine oder nur vernachlässigbar geringe, durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten hervorgerufene thermische Spannungen auf. In particular, it was surprising that the device according to the invention and the method according to the invention no longer had the disadvantages of the prior art, but rather a particularly efficient transport of the thermal energy from the energy source to a thermoelectric element (TEE), as well as the efficient discharge of the remainder thermal energy from the TEE to a heat absorbing device. The selection of the materials used to construct the device according to the invention was subject to less or no restrictions with regard to their thermal expansion coefficients. Nevertheless, in the device according to the invention and in the method according to the invention, there were no or only negligibly small thermal stresses caused by different thermal expansion coefficients.
Bei der erftndungsgemäßen Vorrichtung entfielen auch die Probleme der thermischen Kontaktterung zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Oberfläche des TEEs sowie zwischen der kalten Oberfläche des TEEs und der wärmeabsorbierenden Vorrichtung. So war bei Vorrichtungen des Standes der Technik ein effektiver thermischer Kontakt nur durch mechanischen Druck gewährleistet. Dadurch bestand aber die Gefahr, dass die bekannten Vorrichtungen bereits beim Zusammenbau oder im Laufe ihrer Verwendung mechanisch geschädigt wurden. Außerdem mussten an die Güte und Pianarität der betreffenden Kontaktflächen hohe Anforderungen gestellt werden, weil ansonsten insbesondere der Temperaturabfall zwischen der Quelle der thermischen Energie und der heißen Seite des TEEs zu hoch wurde und dadurch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung erniedrigt wurde. The device according to the invention also eliminated the problems of thermal contact between the source of thermal energy and the hot surface of the TEE and between the cold surface of the TEE and the heat absorbing device. Thus, in prior art devices, effective thermal contact was ensured only by mechanical pressure. As a result, there was the danger that the known devices were already mechanically damaged during assembly or in the course of their use. In addition, the quality and pianority of the contact surfaces in question had to be set high, otherwise, in particular, the temperature drop between the source of thermal energy and the hot side of the TEE became too high and thereby the efficiency of power generation was lowered.
Insgesamt wiesen die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren einen höheren Wirkungsgrad als die Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wies darüber hinaus den wesentlichen Vorteil auf, dass ihre Bauteile in den unterschiedlichsten räumlichen Anordnungen miteinander kombiniert werden konnten. Dadurch konnte die erfindungsgemäße Vorrichtung den unterschiedlichsten räumlichen und/oder thermischen Gegebenheiten in besonders flexibler Weise angepasst werden. Insbesondere konnte das TEE als elektrisches Bauteil getrennt von wärmeableitenden Vorrichtungen, die Wasser oder brennbaren Flüssigkeiten enthalten, angeordnet werden, was die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren besonders sicher machte. Overall, the device according to the invention and the method according to the invention have a higher efficiency than the devices and methods of the prior art. The device according to the invention also had the significant advantage that their components could be combined with each other in a wide variety of spatial arrangements. As a result, the device according to the invention could be adapted to a wide variety of spatial and / or thermal conditions in a particularly flexible manner. In particular, the TEE could be arranged as an electrical component separate from heat-dissipating devices containing water or flammable liquids, which made the inventive device and the inventive method particularly safe.
Darüber hinaus gestatteten es die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, die thermische Energie auf wenige TEE zu konzentrieren, so dass gewährleistet war, dass die Temperatur der heißen Seite der TEE stets im oder nahe nahe dem optimalen Bereich lag und damit der Wirkungsgrad der Stromerzeugung hoch blieb. Somit kann die thermische Energie, die auf einer großen Fläche erzeugt wird, auf ein oder einige wenige TEE konzentriert und danach wieder auf eine großen Fläche verteilt werden. In addition, the apparatus and method of the invention allowed the thermal energy to be concentrated to a few TEEs, thus ensuring that the temperature of the hot side of the TEE was always at or near the optimum range, and thus the efficiency of power generation high remained. Thus, the thermal energy generated on a large area can be concentrated to one or a few TEEs and then redistributed to a large area.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung Detailed description of the invention
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient der direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie mithilfe des Seebeck-Effekts in thermoelektrischen Elementen (TEE). Bei der thermischen Energie kann es sich um Wärme aus unterschiedlichen Quellen handeln, worin sie gezielt erzeugt wird oder als Abfallwärme anfällt, die nicht genutzt wird oder nicht genutzt werden kann. The device according to the invention serves for the direct generation of electrical energy from thermal energy by means of the Seebeck effect in thermoelectric elements (TEE). The thermal energy can be heat from different sources, in which it is selectively generated or obtained as waste heat that is not used or can not be used.
Somit kommen als Quellen thermischer Energie so unterschiedliche Vorrichtungen wie FiachkoSlektoren, Vakuumröhrenkollektoren, photovoltaische Zellen, Solarzellen, Heizkörper, Bestandteile von Öfen wie Feuerräume, Stahlelemente, Natursteine, Schamottsteine, Ofendächer, Hypokaustenzüge, Ofenkacheln oder Rauchabzüge, Fußbodenheizungen, Stromwandler, die Unterseite von Automobilen, Motorblöcke, Auspuffaniagen, Rauchrohre, Abgaskamine, Behälter mit Materialien, die bei Phasenumwandlungen thermische Energie liefern, elektrische Widerstände, Warmwassertaschen, Biogasaniagen, menschliche und tierische Körper oder Sonnenkonzentratoren, wie sie beispielsweise in der Konzentratorphotovoltaik eingesetzt werden (vgl. die Zeitschrift photovoitaik, 1 1 , 2011 , Seiten 58 bis 67) in Betracht. Thus, as sources of thermal energy come as diverse devices as FiachkoSlektoren, evacuated tube collectors, photovoltaic cells, solar cells, radiators, components of ovens such as fire chambers, steel elements, natural stones, firebricks, furnace roofs, Hypokaustenzüge, stove tiles or smoke vents, underfloor heating, current transformers, the underside of automobiles, Engine blocks, exhaust pipes, flue pipes, flue gas chimneys, tanks containing materials that provide thermal energy during phase transformations, electrical resistors, hot water bags, biogas plants, human and animal bodies, or Sun concentrators, as used for example in concentrator photovoltaics (see the journal photovoitaik, 1 1, 2011, pages 58 to 67) into consideration.
Vorzugsweise umfassen die Flachkoliektoren für die Soiarthermie eine transparente Abdeckung, insbesondere aus Gias, einen Absorber für die Solarenergie, insbesondere aus Kupfer, und warmeabieitetende Vorrichtungen, insbesondere Rohrkühler. Das Ende des Wärmerohrs steht in wärmeleitendem Kontakt mit der Rückseite des Absorbers. Vorzugsweise umfassen die Vakuumröhrenkollektoren einen transparente isolierende Vakuumröhre als äußere Umhüllung, eine schwarze Absorberschicht auf der Innenseite der Vakuumröhre, ein Wärmerohr, insbesondere aus Kupfer, das durch wärmeleitfähige Zentrierungsvorrichtungen sowie durch eine Verschlusskappe fixiert wird, einen über die Verschlusskappe hinaus ragenden Teii des Wärmerohrs, an dessen Ende die arbeitende Flüssigkeit kondensiert und die thermische Energie auf warmeabieitetende Vorrichtungen überträgt. Es sind aber auch Kondensatorsysteme bekannt, die mit einer hindurch strömenden Flüssigkeit, die erwärmt wird, arbeiten. Preferably, the Flachkoliektoren for Soiarthermie include a transparent cover, in particular from Gias, an absorber for the solar energy, in particular of copper, and heat-dissipating devices, in particular tube cooler. The end of the heat pipe is in heat-conducting contact with the back of the absorber. Preferably, the evacuated tube collectors comprise a transparent insulating vacuum tube as an outer envelope, a black absorber layer on the inside of the vacuum tube, a heat pipe, particularly copper, fixed by thermally conductive centering devices and a closure cap, a portion of the heat pipe projecting beyond the closure cap the end of which condenses the working fluid and transfers the thermal energy to heat rejecting devices. But there are also known condenser systems which operate with a liquid flowing therethrough which is heated.
Der prinzipielle Aufbau von photovoltaischen Zellen oder Solarzellen zur Umwandlung von Licht in Strom ist allgemein bekannt und braucht hier nicht näher erläutert zu werden. Inzwischen stehen sie in den unterschiedlichsten Konfigurationen zur Verfügung. Bekanntermaßen können sie auf der Basis von anorganischen und organischen halbleitenden Materialien hergestellt werden. Bei der Bestrahlung mit Sonnenlicht erhitzen sich die Solarzellen, weswegen sie auch als Quelle thermischer Energie genutzt werden können. Dies rührt daher, dass die Umwandlung der Strahiungsenergie in elektrischen Strom, d.h. Energieumsatz, nicht 100% effizient ist und die Restenergie in thermische Energie umgesetzt wird. Die Quellen thermischer Energie stehen über mindestens ein Wärmerohr in elektrisch isoiierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite mindestens eines thermoelektrischen Elements. The basic structure of photovoltaic cells or solar cells for the conversion of light into electricity is well known and need not be explained in detail here. Meanwhile, they are available in a variety of configurations. As is known, they can be produced on the basis of inorganic and organic semiconducting materials. When irradiated with sunlight, the solar cells heat up, which is why they can also be used as a source of thermal energy. This is because the conversion of the stray energy into electrical current, i. Energy conversion is not 100% efficient and the residual energy is converted into thermal energy. The sources of thermal energy are in at least one heat pipe in electrically isoiierendem, thermally conductive contact with the hot side of at least one thermoelectric element.
Das Funktionsprinzip ist bereits eingangs beschrieben worden. Wesentlich ist, dass je nachdem, in welchem Temperaturbereich (niedrig, mittel, hoch) gearbeitet wird, unterschiedliche arbeitende Flüssigkeiten verwendet werden können, wie zum Beispiel Wasser oder Salzlösungen im Temperaturbereich von etwa 170 bis 600°K, Ammoniak im Temperaturbereich von etwa 150 bis 170°K, Quecksilber im Temperaturbereich von 400 bis 800°K oder Lithium oder Silber in einem Temperaturbereich oberhalb 1000°K. The operating principle has already been described at the beginning. It is essential that, depending on in which temperature range (low, medium, high) is worked, different working fluids can be used, such as water or salt solutions in the temperature range of about 170 to 600 ° K, ammonia in the temperature range of about 150 to 170 ° K, mercury in the temperature range from 400 to 800 ° K or lithium or silver in a temperature range above 1000 ° K.
Die Wandungen der Wärmerohre können aus den unterschiedlichsten Materialien aufgebaut seien. Zum Aufbau können auch flexible Materialien verwendet werden. Außerdem können die Wärmerohre integraler Bestandteil von flexiblen Kunststofffolien sein. The walls of the heat pipes can be constructed from a wide variety of materials. For the construction also flexible materials can be used. In addition, the heat pipes can be an integral part of flexible plastic films.
Beispiele geeigneter Materialien sind Metalle wie Titan, Zirkonium, Haftnium, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybän, Wolfram, Mangan, Rhenium, Eisen, Rhenium, Osmium, Kobalt, Rhodium, Iridium, Nickel, Palladium, Platin, Kupfer, Silber, Gold, Zink, Kadmium, Aluminium, Gallium, Indium, Silicium, Germanium, Zinn und Blei sowie ihre Legierungen miteinander und/oder mit anderen Metallen und/oder Nichtmetallen, nichtmetallische anorganische Materialien wie Keramiken und Kunststoffe wie hoch temperaturbeständige Kunststoffe. Examples of suitable materials are metals such as titanium, zirconium, Haftnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, rhenium, iron, rhenium, osmium, cobalt, rhodium, iridium, nickel, palladium, platinum, copper, silver, Gold, zinc, cadmium, aluminum, gallium, indium, silicon, germanium, tin and lead and their alloys with each other and / or with other metals and / or non-metals, non-metallic inorganic materials such as ceramics and plastics such as high temperature resistant plastics.
Die Materialien, aus denen die Wärmerohre aufgebaut sind, müssen indes in dem durch die Quelle der thermischen Energie vorgegebenen Temperaturbereich gasdicht, sowohl gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit als auch gegenüber der äußeren Atmosphäre chemisch stabil, mechanisch und thermisch stabil sowie verformungsstabil sein. Außerdem sollten die Materialien vorzugsweise, zumindest in den Bereichen, in denen die thermische Energie aufgenommen oder abgegeben wird, eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, damit die thermische Energie der Quelle effektiv aufgenommen und effektiv an die heiße Seite des thermoetekthschen Elements abgegeben werden kann. Die anderen Bereiche der Wärmerohre brauchen nicht wärmeleitend zu sein, sondern können thermisch isolierend sein. The materials of which the heat pipes are constructed, however, must be gas-tight in the temperature range given by the source of thermal energy, both chemically stable to the working fluid and to the external atmosphere, mechanically and thermally stable and stable in deformation. In addition, the materials should preferably have high thermal conductivity, at least in the areas where the thermal energy is absorbed or delivered, so that the thermal energy of the source can be effectively absorbed and effectively delivered to the hot side of the thermo-electric element. The other areas of the heat pipes need not be thermally conductive, but may be thermally insulating.
Die Wärmerohre können die unterschiedlichsten Längen aufweisen, die sich insbesondere nach ihrem Verwendungszweck und den Dimensionen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen richten. Somit können die Längen im Bereich weniger Mikrometer bis hin zu mehreren Metern und mehr liegen. Die Wärmerohre können unterschiedliche Querschnitte wie Quadrate, Rechtecke und Dreiecke, die abgerundete Ecken und/oder Seiten aufweisen können, Ellipsen, Ovale oder Kreise aufweisen. Auch die Größe der Querschnitte koennen breit variieren und richtet sich ebenfalls nach dem Verwendungszweck der Wärmerohre und den Dimensionen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Demgemäß können die Querschnitte im Bereich weniger Mikrometer bis hin zu mehreren Zentimetern liegen. The heat pipes can have a great variety of lengths, which are directed in particular according to their intended use and the dimensions of the devices according to the invention. Thus, the lengths can range from a few microns to several meters and more. The heat pipes may have different cross sections such as squares, rectangles and triangles, which may have rounded corners and / or sides, ellipses, ovals or circles. The size of the cross sections can vary widely and also depends on the intended use of the heat pipes and the dimensions of the devices according to the invention. Accordingly, the cross sections may be in the range of a few microns to several centimeters.
Außerdem können die Wärmerohre in Längsrichtung unterschiedliche Formen aufweisen. So können sie geradlinig, in der Ebene einfach oder mehrfach gebogen, räumlich mehrfach gebogen, mäanderförmtg oder spiralförmig verlaufen. In addition, the heat pipes may have different shapes in the longitudinal direction. Thus, they can be rectilinear, curved in the plane one or more times, spatially multiple curved, meandering or spiraling.
Die Wärmerohre können nach der Formgebung noch beschichtet werden, um sie vor mechanischer, chemischer und/oder thermische Einwirkung zu schützen. Beispiele geeigneter Beschichtungsstoffe sind thermisch und/oder mit aktinischer Strahlung wie UV- Strahlung oder Elektronenstrahlung härtbare, pigmentierte oder nicht pigmentierte Pulverlacke oder Flüssiglacke auf Wasserbasis oder auf Basis organischer Lösemitte). The heat pipes can still be coated after shaping to protect them from mechanical, chemical and / or thermal effects. Examples of suitable coating materials are thermally and / or curable with actinic radiation such as UV radiation or electron radiation, pigmented or non-pigmented powder coatings or water-based or solvent-based liquid coatings).
Die Kapillarstruktur mit Dochtwirkung auf der Innenseite der Wandungen kann ebenfalls aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Wesentlich für deren Auswahl sind der durch die Quelle der thermischen Energie vorgegebenen Temperaturbereich und die Stabilität gegenüber der arbeitenden Flüssigkeit. Außerdem darf es durch den Kontakt zwischen der Kapillarstruktur und den Wandungen unter dem Einfluss der arbeitenden Flüssigkeit nicht zur Korrosion kommen. Der Fachmann kann daher die Materialien aufgrund der ihm bekannten Eigenschaftsprofile auswählen. The capillary structure with wicking on the inside of the walls can also be made of a variety of materials. Essential for their selection are the temperature range given by the source of the thermal energy and the stability with respect to the working liquid. In addition, contact between the capillary structure and the walls should not cause corrosion under the influence of the working fluid. The person skilled in the art can therefore select the materials on the basis of the property profiles known to him.
Die Kapiliarstruktur kann aus Nanopartikeln, Fasermaterialien oder nano- oder mikroporösen Materialien mit entsprechend dimensionierten Porengrößen aufgebaut sein. Außerdem kann die Dochtwirkung durch Drahtgeflechte, z.B. Kupferdrahtgefiechte oder elektrisch nicht leitende Drahtgeflechte und Faserbündel, z.B. aus Keramik, Glas oder hoch temperaturbeständigen Kunststoffen, im Inneren der Wärmerohre erzeugt werden. Des Weiteren kann die Dochtwirkung auch durch Oberflächenstrukturen aus Erhebungen und Vertiefungen wie z.B. Rillen, Säulen, Kugeln oder Näpfchen auf den Innenwände der Wärmerohre erzeugt werden. Die Kapiliarstruktur mit Dochtwirkung kann auch nachträglich eingebracht werden. Beispiele geeigneter Methoden sind das Auskristallisieren oder das Ausfällen mesoporöser Materialien wie Zeolithe Dies ist für die nachstehend beschriebene "offene Ausführungsform" von besonderem Vorteil, weil so in einem Schritt eine direkte Verbindung mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden, strukturierten Oberfläche auf dem TEE, auf der die Arbeitsflüssigkeit auskondensiert, bewerkstelligt werden kann. The Kapiliarstruktur can be constructed of nanoparticles, fiber materials or nano- or microporous materials with appropriately sized pore sizes. In addition, the wicking by wire mesh, such as copper wire mesh or electrically non-conductive wire mesh and fiber bundles, such as ceramic, glass or high temperature resistant plastics, are generated inside the heat pipes. Furthermore, the wicking effect can also be generated by surface structures of elevations and depressions such as grooves, columns, spheres or cups on the inner walls of the heat pipes. The capillary structure with wicking can also be retrofitted. Examples of suitable methods are crystallization or precipitation mesoporous materials such as zeolites. This is particularly advantageous for the "open embodiment" described below, because in one step, a direct connection to an electrically insulating, thermally conductive, structured surface on the TEE on which the working fluid condenses out can be accomplished.
Das Ende des Wärmerohrs, das in wärmeleitendem Kontakt mit der Quelle thermischer Energie steht braucht nicht notwendigerweise elektrisch isoliert hiervon zu sein. The end of the heat pipe, which is in thermally conductive contact with the source of thermal energy, need not necessarily be electrically isolated therefrom.
Beispielsweise kann der wärmeleitende Kontakt zwischen dem Ende des Wärmerohrs und der Quelle der thermischen Energie durch Lötkontakte, Schweißkontakte, Flansch kontakte, elektrische und thermisch leitende, Metallpartikel enthaltende Kiebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs in die Quelle oder an die Quelle der thermischen Energie ein- oder angeschraubt, eingesteckt oder ein- oder angeklemmt wird, Druckkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs mittels geeigneter Vorrichtungen an die Quelle der thermischen Energie angedrückt wird, hergesteilt. Der wärmeleitende Kontakt kann außerdem durch gegebenenfalls Metallpartikel enthaltende Wärmeleitpasten weiter verbessert werden. For example, the thermally conductive contact between the end of the heat pipe and the source of thermal energy through solder contacts, welding contacts, flange contacts, electrically and thermally conductive, metal particles containing Kiebschichten, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe into the source or screwed to the source of thermal energy, or plugged or plugged or clamped, pressure contacts, in which the end of the heat pipe is pressed by means of suitable devices to the source of thermal energy, hergesteilt. The heat-conducting contact can also be further improved by optionally containing metal particles Wärmeleitpasten.
Im Falle von Quellen thermischer Energie, die elektrischen Strom erzeugen oder nutzen wie photovoltatsche Zellen oder Solarzellen, Generatoren, Elektromotoren und Widerstände empfiehlt sich, das dass der Kontakt zwischen dem Ende des Wärmerohrs und der Quelle thermischer Energie auch elektrisch isolierend ist. Eine solche Isolierung kann beispielsweise mithiife von wärmeieitfähigen Keramikschichten, Kunststoffschichten oder Schichten aus Aluminiumoxäd, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid gewährleistet werden. Diese Schichten können auf die betreffenden zu konvertierenden Oberflächen beispielsweise durch Sputtern, aufgebracht oder als Wafer aufgelegt werden. Im Falle der flächenförmigen photovoltaischen Zellen oder Solarzellen werden diese wärmeieitfähigen Schichten auf der der Sonne abgewandten Seite der Zellen angebracht. Es ist dagegen zwingend, dass der Kontakt des anderen Endes des Wärmerohrs mit der heißen Seite des thermoelektrischen Elements elektrisch isolierend ist. Unter der heißen Seite eines thermoelektrischen Elements, ist diejenige Seite zu verstehen, die die thermische Energie aufnimmt. An beiden Seiten des TEE befindet sich auch der Kontaktbereich, in dem die beiden unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien des thermoelektrischen Elements elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Das TEE kann mit mindestens einem weiteren TEE elektrisch leitend verbunden sein. Es können aber auch 100 und mehr solcher TEE parallel und/oder in Serie geschaltet sein. Der Kontakt des Wärmerohrs mit der heißen Seite des fhermoelektrischen Elements wird durch eine geeignete Kontaktvorrichtung hergestellt. Die die Auswahl der Materialien für den Aufbau der Kontaktvorrichtung richtet sich insbesondere nach dem durch die Quelle der thermischen Energie vorgegebenen Temperaturbereich. Vorzugsweise umfasst die Kontaktvorrichtung wärmeleitende Lötkontakte, Schweißkontakte, Fianschkontakte, Klebschichten, Schraub-, Steck- und Klemmkontakte, bei denen das Ende des Wärmerohrs in oder an auf der heißen Seite befindliche entsprechende Verrichtungen ein- oder angeschraubt, eingesteckt oder ein- oder angeklemmt wird. Die Wärmeleitfähigkeit kann durch die Anwendung von Wärmeleitpasten, z.B. W rmeleitpasten auf der Basis von Silikonen, weiter verbessert werden. In the case of sources of thermal energy that generate or use electrical power such as photovoltaic cells or solar cells, generators, electric motors and resistors, it is recommended that the contact between the end of the heat pipe and the source of thermal energy is also electrically insulating. Such insulation can be ensured, for example, by heatable ceramic layers, plastic layers or layers of aluminum oxide, aluminum nitride or silicon nitride. These layers can be applied to the respective surfaces to be converted, for example by sputtering, or applied as wafers. In the case of the sheet-like photovoltaic cells or solar cells, these heat-conductive layers are applied to the side of the cells facing away from the sun. On the other hand, it is imperative that the contact of the other end of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is electrically insulating. The hot side of a thermoelectric element is the side that absorbs the thermal energy. On both sides of the TEE is also the contact area, in which the two different thermoelectric materials of the thermoelectric element electrically conductively connected to each other. The TEE may be electrically conductively connected to at least one other TEE. However, 100 or more such TEEs can also be connected in parallel and / or in series. The contact of the heat pipe with the hot side of the thermoelectric element is made by a suitable contact device. The selection of the materials for the construction of the contact device depends in particular on the temperature range predetermined by the source of the thermal energy. Preferably, the contact device comprises heat-conducting solder contacts, welding contacts, Fianschkontakte, adhesive layers, screw, plug and terminal contacts, in which the end of the heat pipe in or on located on the hot side corresponding operations on or screwed, plugged or on or is clamped. The thermal conductivity can be further improved by the use of thermal pastes, for example thermal pastes based on silicones.
Sofern diese Kontaktvorrichtung noch elektrisch leitend sind, umfasst die Kontaktvorrichtung die vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Schichten. Diese Schichten befinden sich unmittelbar auf der heißen Seite der TEE. Im Allgemeinen brauchen sie nur wenige Atomanlagen stark zu sein. Um das Löten und Schweißen zu ermöglichen, sind die wärmeleitfähigen isolierenden Schichten auf ihrer Außenseite mit einer dünnen Metallschicht bedeckt. Eine besonders vorteilhafte Anordnung dieser Art, kann durch Aufbringen einer Metalioxidschicht, die allmählich in eine Metailschicht übergeht, hergestellt werden. If this contact device are still electrically conductive, the contact device comprises the above-described electrically insulating, heat-conducting layers. These layers are located directly on the hot side of the TEE. In general, they only need a few nuclear facilities to be strong. In order to enable soldering and welding, the heat-conductive insulating layers are covered on their outside with a thin metal layer. A particularly advantageous arrangement of this kind can be made by applying a metal oxide layer which gradually turns into a metal layer.
Der elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontakt kann auch so ausgestaltet werden, dass die heiße Seite in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, so dass die arbeitende Flüssigkeit unmittelbar auf der heißen Seite kondensiert und die thermische Energie direkt übertragen wird. Im folgenden wird dieser Ausführungsform als "offene Ausführungsform" bezeichnet. Bei dieser offenen Ausführungsform bildet das TEE selbst den Abschluss des Wärmerohrs. In der offenen Ausführungsform kann die Kondensatton der arbeitenden Flüssigkeit und die Übertragung der thermischen Energie mithilfe einer strukturierten Oberfläche auf der heißen Seite, die in direktem Kontakt mit dem Inneren des Wärmerohrs steht, weiter verbessert werden. Die strukturierte Oberfläche kann aus nanoporösen oder mikroporösen Materialien, Nanopartikeln, Rillenstrukturen, Pyramiden, Säulen, Näpfchen, Kugeln etc. aufgebaut sein. Sofern die strukturierte Oberfläche noch elektrisch leitend ist, ist sie von der heißen Seite des TEEs durch eine der vorstehend beschriebenen elektrisch isolierenden, wärmeleitfähigen Schichten elektrisch isoliert. The electrically insulating, thermally conductive contact can also be designed so that the hot side is in direct contact with the interior of the heat pipe, so that the working liquid condenses directly on the hot side and the thermal energy is transmitted directly. In the following, this embodiment will be referred to as an "open embodiment". In this open embodiment, the TEE itself forms the end of the heat pipe. In the open embodiment, the condensing tone of the working fluid and the transfer of thermal energy can be determined by means of a structured surface on the hot side, which is in direct contact with the inside of the heat pipe, can be further improved. The structured surface may be composed of nanoporous or microporous materials, nanoparticles, groove structures, pyramids, columns, wells, spheres, etc. If the structured surface is still electrically conductive, it is electrically insulated from the hot side of the TEE by one of the above-described electrically insulating, thermally conductive layers.
Der Rücklauf der kondensierten arbeitenden Fiüssigkeit zum anderen Ende, d.h. dem mit der Quelle der thermischen Energie in Kontakt stehenden Ende, des Wärmerohrs kann durch Gravitation erfolgen. Dazu muss das Wärmerohr mit einer Neigung oder senkrecht angeordnet werden. The return of the condensed working liquid to the other end, i. the end in contact with the source of thermal energy, the heat pipe can be made by gravity. For this, the heat pipe must be arranged with a tilt or vertically.
Der Rücklauf kann aber auch aufgrund der Dochtwirkung von eingelegten Drahtgeflechten und Faserbündeln, wie sie vorstehend beschrieben werden, erfolgen. Diese Drahtgeflechte und Faserbündel sind so angeordnet, dass sie in direkten Kontakt mit der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit stehen. Bei dieser Ausführungsform kann das Wärmerohr beliebig räumlich angeordnet werden. The return can also be due to the wicking of inserted wire mesh and fiber bundles, as described above, take place. These wire meshes and fiber bundles are arranged to be in direct contact with the condensed working liquid. In this embodiment, the heat pipe can be arranged arbitrarily spatially.
Bei der offenen Ausführungsform umfasst die Kontaktvorrichtung außerdem eine gasdichte, haftfeste, elektrisch isolierende Verbindung zwischen der Wandung der Wärmerohre und der heißen Seite der TEE. Diese Verbindung muss nicht wärmeleitend sein. Vorzugsweise handelt es sich bei den Verbindungen um Lötkontakte oder Schweißkontakte, die zur heißen Seite hin in der vorstehend beschriebenen Weise elektrisch isoliert sind, oder um elektrisch isolierende, hoch temperaturbeständige Klebschichten. In the open embodiment, the contact device further comprises a gas-tight, adherent, electrically insulating connection between the wall of the heat pipes and the hot side of the TEE. This connection does not have to be heat-conducting. The connections are preferably solder contacts or welding contacts, which are electrically insulated to the hot side in the manner described above, or electrically insulating, high temperature resistant adhesive layers.
Diese Verbindungen können je nach Anordnung der Wärmerohre und je nach der äußeren Form der TEE unterschiedliche Formen haben. Vorzugsweise sind die Verbindungen rechteckig, quadratisch oder mehreckig, beispielsweise sechseckig, wenn die TEE eine rechteckige, quadratische oder mehreckige Oberfläche aufweisen. Vorzugsweise sind die Verbindungen rund oder oval, beispielsweise elliptisch, wenn die TEE eine runde oder ovale Oberfläche haben. Außerdem kann die Verbindung der Planarität der Oberfläche des TEE angepasst sein, wenn diese beispielsweise nach außen oder nach innen gebogen ist und/oder eine regelmäßige oder nicht regelmäßige Rauigkeit aufweist. Dadurch kann gewährleistet werden, dass nahezu die gesamte Oberfläche der TEE für die Übertragung der thermischen Energie genutzt wird. These connections may have different shapes depending on the arrangement of the heat pipes and depending on the outer shape of the TEE. Preferably, the compounds are rectangular, square or polygonal, such as hexagonal, when the TEEs have a rectangular, square or polygonal surface. Preferably, the compounds are round or oval, for example elliptical, when the TEEs have a round or oval surface. In addition, the connection of the planarity of the surface of the TEE may be adapted, for example, if it is bent outwards or inwards and / or has a regular or not regular roughness. This can be guaranteed will be that almost the entire surface of the TEE is used for the transmission of thermal energy.
Das vorstehend Gesagte gilt sinngemäß auch für die elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Verbindungen bei den Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen geschlossene Wärmerohre verwendet werden. The above applies mutatis mutandis to the electrically insulating, heat-conducting compounds in the embodiments of the device according to the invention, in which closed heat pipes are used.
Im Allgemeinen unterscheidet man drei Temperaturbereiche bei dem Betrieb von TEE - Niedertemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 250°C, In general, three temperature ranges are distinguished in the operation of TEE low temperature range, i. Temperatures up to 250 ° C,
Mitteltemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 600°C und  Medium temperature range, i. Temperatures up to 600 ° C and
Hochtemperaturbereich, d.h. Temperaturen bis zu 1000°C.  High temperature range, i. Temperatures up to 1000 ° C.
Je nachdem in weichem Temperaturberetch gearbeitet wird, werden unterschiedliche Materialien in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet. Die Auswahl kann der Fachmann anhand der bekannten chemischen und physikalischen Eigenschaften der Materialien treffen. Depending on the work in soft Temperaturberetch, different materials are used in the device according to the invention. The choice can be made by a person skilled in the art on the basis of the known chemical and physical properties of the materials.
Die Beine der TEE, die in elektrisch leitenden Kontakt miteinander gebracht werden, werden anhand ihrer figure-of-merit gemäß Gleichung XII ausgewählt. The legs of the TEE that are brought into electrical contact with each other are selected by their figure-of-merit according to Equation XII.
Gleichung XII Equation XII
Z = σα2/Λ. Z = σα 2 / Λ.
In der Gleichung XII steht α für den Seebeck-Koeffizienten, σ die elektrische Leitfähigkeit und λ für die thermische Leitfähigkeit des betreffenden Materials. In equation XII, α stands for the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, and λ is the thermal conductivity of the material in question.
Vorzugsweise werden p- und n- dotierte Halbleitermaterialien verwendet. Preferably, p- and n-doped semiconductor materials are used.
Beispiele gut geeigneter Halbleitermaterialien für den Niedertemperaturbereich sind Bismuttetiurid-Legierungen (Bi2Te3). Examples of well-suited semiconductor materials for the low temperature range are bismuth teturide alloys (Bi 2 Te3).
Ein Beispiel für ein gut geeignetes Halbleitermaterialien für den Mittettemperaturbereich ist Bleitellurid (PbTe). Beispiele gut geeigneter Halbleitermateriaiien für den Hochtemperaturbereich sind Silicium-Germanium-Legierungen und Zintl-Legierungen. An example of a well-suited semiconductor material for the mid-temperature range is lead telluride (PbTe). Examples of well-suited semiconductor materials for the high temperature range are silicon germanium alloys and Zintl alloys.
Weitere Beispiele geeigneter halbiettender Materialien sind aus der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/02291 A1 , Seite 1 , Absätze [0003] bis [001 1], oder aus dem amerikanischen Patent US 5,610,366, Spalte 2, Seite 27, bis Spalte 3, Seite 32, bekannt. Further examples of suitable curing materials are disclosed in US patent application US 2010/02291 A1, page 1, paragraphs [0003] to [001 1], or in US patent US 5,610,366, column 2, page 27, to column 3, page 32, known.
In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen können übliche und bekannte, kommerziell erhältliche TEE verwendet werden. Der Begriff "thermoelektrisches Element" umfasst dabei ein einzelnes TEE oder eine Anordnung mehrerer in Reihe oder parallel geschalteter TEE in der Form einer so genannten Thermosäule. Conventional and known, commercially available TEEs can be used in the devices according to the invention. The term "thermoelectric element" in this case comprises a single TEE or an arrangement of several series or parallel connected TEEs in the form of a so-called thermopile.
Beispiele geeigneter TEE werden im Detail in dem amerikanischen Patent US 5,610,366, der amerikanischen Patentanmeldung US 2010/02299911 A1 , der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, der deutschen Patentanmeldung DE 101 12 383 A1 oder der Firmenschrift von Hi-Z Technology Inc., "Use, Application and Testing od Hi-Z Termoelectric Modutes", Autoren: F. A. Levitt, N. B. Eisner und J. C. Bass, beschrieben. Examples of suitable TEEs are described in detail in US patent US 5,610,366, US patent application US 2010/02299911 A1, international patent application WO 97/44993, German patent application DE 101 12 383 A1 or the company publication of Hi-Z Technology Inc., " Use, Application and Testing or Hi-Z Termoelectric Modutes ", authors: FA Levitt, NB Eisner and JC Bass.
Beispielsweise werden thermoelektrische Module in "egggrate"-Konfiguration (Eierkarton- Konfiguration) verwendet, wie sie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/44993, Seite 2, letzter Absatz, bis Seite 15, letzter Absatz, in Verbindung mit den Figuren 1A bis 14 und 27 beschrieben werden. For example, thermoelectric modules are used in "egggrate" configuration (egg-box configuration), as described, for example, in international patent application WO 97/44993, page 2, last paragraph, page 15, last paragraph, in conjunction with FIGS. 1A to 14 and 27 will be described.
Es kommen indes auch andere Konfigurationen in Betracht, wie beispielsweise rohrförmige TEE mit einer heißen Außenseite und einer kalten Innenseite. However, other configurations are also possible, such as tubular TEEs with a hot outside and a cold inside.
Dabei können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzelne oder mehrere TEE gleichzeitig thermisch kontaktiert werden. In den erfindungsgemäßen Vorrichtungen steht die der heißen Seite gegenüberliegende kalte Seite der TEE in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit einer wärmeableitetenden Vorrichtung. Diese dient der Abführung sowie gegebenenfalls der Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie. Solche wärmeableitetenden Vorrichtungen werden häufig auch als "Wärmesenken" bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dieser Kontakt durch mindestens ein weiteres Wärmerohr bewerkstelligt, im Folgenden wird das weitere Wärmerohr als "zweites Wärmerohr" bezeichnet. Das zweite Wärmerohr steht mit seinem einen Ende in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der kalten Seite der TEE und mit seinem anderen Ende in wärmeleitendem Kontakt mit der wärmeableitetenden Vorrichtung. In the device according to the invention, one or more TEEs can be thermally contacted simultaneously. In the devices according to the invention, the hot side opposite cold side of the TEE is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat-dissipating device. This serves to dissipate and optionally use the remaining supplied thermal energy. Such heat-dissipating devices are often referred to as "heat sinks". In a preferred embodiment, this contact is accomplished by at least one additional heat pipe, hereinafter the further heat pipe is referred to as a "second heat pipe". The second heat pipe is in one of its ends in electrically insulating, thermally conductive contact with the cold side of the TEE and at its other end in heat-conducting contact with the heat-dissipating device.
Vorzugsweise werden die vorstehend beschriebenen Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen verwendet. Die da die Wärmerohre und Kontaktvorrichtungen der kalten Seite der TEE niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sind als diejenigen der heißen Seite der TEE, können gegebenenfalls andere Materialien als auf der heißen Seite verwendet werden. Die wärmeableitetenden Vorrichtungen können von unterschiedlichster Natur und von unterschiedlichstem Aufbau sein. Preferably, the above-described heat pipes and contact devices are used. Since the heat pipes and cold side contact devices of the TEE are exposed to lower temperatures than those of the hot side of the TEE, materials other than the hot side may be used. The heat-dissipating devices can be of the most varied nature and construction.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können anorganische und organische Gase wie Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, gasförmiges Kohlendioxid, gasförmiges Ammoniak, Schwefelhexafiuorid, Kohlenwasserstoffe, fluorierte, chlorierte und/oder bromierte Kohlenwasserstoffe oder Amine; anorganische und organische Flüssigkeiten wie Wasser, Salzlösungen, Ammoniak, Salzschmelzen, ionische Flüssigkeiten, flüssiges Ammoniak, flüssige Metalle und Metallegierungen, flüssige Kohlenwasserstoffe oder flüssige fluorierte, chlorierte und/oder bromierte Kohlenwasserstoffe sowie anorganische und organische sublimierbare Festkörper wie Sublimat, festes Kohlendioxid, p-Dichlorbenzoi, Naphthalin oder Campher wärmeableitetende Vorrichtungen im Sinne der Erfindung sein. Vorzugsweise wird dabei die restliche zugeführte thermische Energie über Kühlrippen auf die Kühimedien übertragen. Demgemäß sind auch Kühlrippen wärmeableitetende Vorrichtungen im Sinne der Erfindung. In the context of the present invention, inorganic and organic gases such as air, nitrogen, oxygen, noble gases, gaseous carbon dioxide, gaseous ammonia, sulfur hexafluoride, hydrocarbons, fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons or amines; inorganic and organic liquids such as water, salt solutions, ammonia, molten salts, ionic liquids, liquid ammonia, liquid metals and metal alloys, liquid hydrocarbons or liquid fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons, and inorganic and organic sublimable solids such as sublimate, solid carbon dioxide, p Dichlorobenzoi, naphthalene or camphor heat-emitting devices according to the invention. Preferably, the remaining supplied thermal energy is transmitted via cooling fins on the cooling media. Accordingly, cooling fins are heat-dissipating devices in the context of the invention.
Vorzugsweise handelt es sich aber bei den wärmeableitetenden Vorrichtungen um Vorrichtungen, die die Nutzung der restlichen zugeführten thermischen Energie gestatten. Besonders bevorzugt handelt es sich dabei um Wärmetauscher, Rohrkühlkörper, insbesondere Rohrkühtkörper für Solarthermieanlagen, Motoren, Turbinen oder Anlagen zur Durchführung des Rankine-Zyklus, insbesondere des organischen Rankine-Zyklus, bei dem vergleichsweise niedrigsiedende organische Flüssigkeiten als Arbeitsmittel verwendet werden. Preferably, however, the heat-dissipating devices are devices that allow the use of the residual thermal energy supplied. These are particularly preferably heat exchangers, tube cooling bodies, in particular tube cooling bodies for solar thermal systems, motors, turbines or systems for carrying out the Rankine cycle, in particular the organic Rankine cycle, in which comparatively low-boiling organic liquids are used as the working medium.
Außerdem kommen Hitze abstrahlende Radiatoren und große Fiächenheizungen, die unter Wänden, Decken oder Fußböden im Innen- und Außenbereich von Gebäuden angebracht werden können, als wärmeabieitetende Vorrichtungen in Betracht. Erfindungsgemäße Vorrichtungen, die in dieser Weise aufgebaut sind, können ihre Energie verzehrende Wasserkreisläufe und Umwälzpumpen selbst betreiben oder in ihrem Betrieb unterstützen. In addition, heat radiating radiators and large panel heaters, which can be installed under walls, ceilings or floors in the interior and exterior of buildings, are considered as heat dissipating devices. Devices according to the invention constructed in this way can operate their energy-consuming water circuits and circulation pumps themselves or support them in their operation.
Der von den TEE der erfindungsgemäßen Vorrichtungen erzeugte elektrische Strom kann für die unterschiedlichsten Zwecke verwendet werden. So kann er den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtungen selbst unterstützen, beispielsweise um die Steueretektronik zu betreiben oder zu unterstützen. The electric current generated by the TEEs of the devices of the invention can be used for a variety of purposes. So he can support the operation of the devices according to the invention itself, for example, to operate or support the control electronics.
Desgleichen kann der Strom den Betrieb der wärmeabieitetenden Vorrichtungen, die die restliche zugeführte thermische Energie nutzen, sowie den Betrieb ihrer Peripherie unterstützen. Als Betspiele seien elektrisch betriebene Pumpen, Kühlaggregate, die die Queilen thermischer Energie vor Überhitzung schützen, und Motoren genannt. Ebenso kann der Strom zum Aufladen von elektrischen Speichern wie Batterien, Akkumulatoren und elektrischen Speicherheizungen dienen. Insgesamt ergeben sich durch die Nutzung der Abfailwärme in dieser Weise signifikante Energieeinsparungen. Likewise, the current may assist the operation of the heat dissipating devices that utilize the residual applied thermal energy as well as the operation of their peripherals. As bet games are electrically operated pumps, cooling units that protect the Queilen thermal energy from overheating, and called motors. Likewise, the power can be used to charge electrical storage such as batteries, accumulators and electric storage heaters. Overall, the use of waste heat in this way results in significant energy savings.
Der Strom kann aber auch zum Betrieb externer elektrischer Geräte der unterschiedlichsten Art wie etwa Beleuchtungsanlagen, Kühf- und Gefriergeräte, Klimaanlagen, Wärmepumpen, Umwälzpumpen, Unterhaltungselektronik, Kommunikationsgeräte wie Telefone oder Mobiltelefone, Computer, Laptops oder iPads genutzt werden Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermische Energie wird die von mindestens einer Quelle der thermischen Energie gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs zu der heißen Seite mindestens eines TEEs transportiert, wobei in dem TEE eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die restliche zugeführte thermische Energie wird von der kalten Seite des TEEs über einen elektrisch isolierenden, thermisch leitenden Kontakt einer wärmeabieitetenden Vorrichtung zugeführt wird. Es ist ein ganz besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass sie auch "umgekehrt" betrieben werden können. So kann die wärmeabieitetende Vorrichtung, beispielsweise ein Wasser enthaltender Rohrkühler oder ein Wärmespeicher, thermische Energie an das TEE übertragen, d.h., die kalte Seite fungiert nun als heiße Seite. Die ursprünglich heiße Seite des TEEs gibt nunmehr als kalte Seite die thermische Energie an das Wärmerohr oder die Wärmerohre ab. Mithilfe dieser Betriebsweise können im Winter z.B. Dächer beheizt werden, um sie von Schneelasten zu befreien. Die Wärmerohre dienen dann als Heizelemente. The power can also be used for the operation of external electrical equipment of various kinds such as lighting systems, refrigerators and freezers, air conditioners, heat pumps, circulation pumps, consumer electronics, communication devices such as telephones or mobile phones, computers, laptops or iPads In the method according to the invention for direct production From electrical energy from thermal energy, the thermal energy delivered by at least one source of thermal energy is transported by means of at least one heat pipe to the hot side of at least one TEE, wherein an electrical voltage is generated in the TEE. The remaining applied thermal energy is supplied from the cold side of the TEE via an electrically insulating, thermally conductive contact to a heat dissipating device. It is a very particular advantage of the device according to the invention and of the method according to the invention that they can also be operated "reversed". Thus, the heat-rejecting device, such as a water-containing tube cooler or a heat accumulator, can transfer thermal energy to the TEE, ie the cold side now acts as a hot side. The originally hot side of the TEE now releases the thermal energy to the heat pipe or heat pipes as a cold side. With this method, roofs can be heated in winter, for example, to free them from snow loads. The heat pipes then serve as heating elements.
Vorzugsweise werden für das erfindungsgemäße Verfahren die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwendet. Preferably, the above-described inventive devices are used for the inventive method.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 anhand der Figuren 1 bis 16 beispielhaft erläutert. Bei den Figuren 1 bis 16 handelt es sich um schematische Darstellungen, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen sollen. Die Größenverhältnisse müssen daher auch nicht den in der Praxis angewandten Größenverhältnissen entsprechen. Die Figur 1 zeigt das Fließschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin die Quelle thermischer Energie über ein Wärmerohr mit der heißen Seite eines thermoelektrischen Element verbunden ist und die kalte Seite des TEEs in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit einer wärmeableitetenden Vorrichtung steht. Die Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des Wärmerohrrohrs über eine erste Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der heißen Seite eines TEEs in Kontakt steht. Die Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des Wärmerohrrohrs über eine zweite Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der heißen Seite eines TEEs in Kontakt steht. Die Figur 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des Wärmerohrrohrs über eine dritte Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der heißen Seite eines TEEs in Kontakt steht. The device 1 according to the invention will be explained below by way of example with reference to FIGS. 1 to 16. Figures 1 to 16 are schematic representations intended to illustrate the principle of the invention. The size ratios must therefore not correspond to the size ratios used in practice. Figure 1 shows the flow diagram of a device 1 according to the invention, wherein the source of thermal energy is connected via a heat pipe to the hot side of a thermoelectric element and the cold side of the TEEs is in electrically insulating, thermally conductive contact with a heat-dissipating device. FIG. 2 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the heat pipe is in contact with the hot side of a TEE via a first embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device. FIG. 3 shows a detail of a device 1 according to the invention, in which one end of the heat pipe is in contact with the hot side of a TEE via a second embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device. FIG. 4 shows a section of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the heat pipe is electrically connected via a third embodiment insulating, thermally conductive contact device with the hot side of a TEE is in contact.
Die Figur 5 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des Wärmerohrrohrs über eine vierte Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der heißen Seite zweier thermoeiektrischer Elemente in Kontakt steht. FIG. 5 shows a section of a device 1 according to the invention, in which one end of the heat pipe is in contact with the hot side of two thermoelectric elements via a fourth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
Die Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des Wärme roh rrohrs über eine fünfte Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der heißen Seite zweier thermoeiektrischer Elemente in Kontakt steht. FIG. 6 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein one end of the heat pipe is in contact with the hot side of two thermoelectric elements via a fifth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
Die Figur 7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 , worin die kalte Seite eines TEEs mitteis eines zweiten Wärmerohrrohrs mit einer wärmeableitetenden Vorrichtung in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt (5.1 ) steht. FIG. 7 shows a device 1 according to the invention, in which the cold side of a TEE is in the middle of a second heat pipe with a heat-dissipating device in an electrically insulating, heat-conducting contact (5.1).
Die Figur 8 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, worin das eine Ende des zweiten W rmerohrrohrs über eine erste Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der kalten Seite eines thermoeiektrischen Elementes in Kontakt steht. FIG. 8 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of a thermoelectric element via a first embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
Die Figur 9 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des zweiten Wärmerohrrohrs über eine zweite Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der kalten Seite eines TEEs in Kontakt steht. FIG. 9 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of a TEE via a second embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
Die Figur 10 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des zweiten Wärme roh rrohrs über eine dritte Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der kalten Seite eines TEEs in Kontakt steht. FIG. 10 shows a section of a device 1 according to the invention, in which one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of a TEE via a third embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
Die Figur 1 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, worin das eine Ende des zweiten Wärmerohrrohrs über eine vierte Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der kalten zweier thermoeiektrischer Elemente in Kontakt steht. Die Figur 12 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin das eine Ende des zweiten Wärmerohrrohrs über eine fünfte Ausführungsform einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung mit der kalten Seite zweier thermoe!ektrischer Elemente in Kontakt steht. FIG. 11 shows a detail of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold two thermoelectric elements via a fourth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device. FIG. 12 shows a section of a device 1 according to the invention, wherein the one end of the second heat pipe is in contact with the cold side of two thermoelectric elements via a fifth embodiment of an electrically insulating, heat-conducting contact device.
Die Figur 13 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in perspektivischer Ansicht. Die Figur 13a zeigt die Schnittebenen, die durch die Figur 3 für die Ansichten der Figuren 13b, 13c und 13d gelegt werden. FIG. 13 shows a section of a device 1 according to the invention in a perspective view. FIG. 13a shows the sectional planes laid by FIG. 3 for the views of FIGS. 13b, 13c and 13d.
Die Figur 13b zeigt den Längsschnitt durch die Seitenansicht des Ausschnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13. FIG. 13b shows the longitudinal section through the side view of the detail of the device 1 according to the invention according to FIG. 13.
Die Figur 13c zeigt den Querschnitt durch den Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13. FIG. 13c shows the cross section through the detail of the device 1 according to the invention according to FIG. 13.
Die Figur 13d zeigt den Längsschnitt durch die Ansicht von oben auf den Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13. FIG. 13 d shows the longitudinal section through the view from above onto the detail of the device 1 according to the invention according to FIG. 13.
Die Figur 14 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur vertikalen Anordnung. Die Figur 15 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, worin die Quelle thermischer Energie ein Vakuumröhrenkoilektor ist. FIG. 14 shows a detail of a vertical arrangement device 1 according to the invention. FIG. 15 shows a section of a device 1 according to the invention, in which the source of thermal energy is a vacuum tube co-octor.
Die Figur 6 zeigt einen Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , worin die Quellen thermischer Energie Ofenkacheln sind, FIG. 6 shows a detail of a device 1 according to the invention, in which the sources of thermal energy are oven tiles,
In den Figuren 1 bis 16 haben die Bezugszeichen die folgende Bedeutung. In FIGS. 1 to 16, the reference numerals have the following meaning.
1 Erfindungsgemäße Vorrichtung 2 Quelle thermischer Energie 1 Device according to the invention 2 source of thermal energy
2.1 Vakuumröhre 2.2 Absorberschicht 2.1 Vacuum tube 2.2 absorber layer
2.3 wärmeleitende Zentrierungsvorrichtungen für das Wärmerohr 3.1  2.3 heat-conducting centering devices for the heat pipe 3.1
2.4 Verschlusskappe  2.4 Cap
Wärmerohr heat pipe
erstes Ende des Wärmerohrs 3.1  first end of the heat pipe 3.1
zweites Ende des Wärmerohrs 3.1  second end of the heat pipe 3.1
Wandung des Wärmerohrs 3.1  Wall of the heat pipe 3.1
Kapillarstruktur mit Dochtwirkung zweites Wärmerohr  Capillary structure with wicking second heat pipe
erstes Ende des Wärmerohrs 3.2  first end of the heat pipe 3.2
zweites Ende des Wärmerohrs 3.2  second end of the heat pipe 3.2
Wandung des Wärmerohrs 3.2  Wall of the heat pipe 3.2
Kapillarstruktur mit Dochtwirkung  Wicking capillary structure
4 thermoelektrisches Element 4 thermoelectric element
4.1 heiße Seite des thermoeiektrischen Elements 4  4.1 hot side of the thermoelectric element 4
4.1.1 elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontaktvorrichtung  4.1.1 electrically insulating, heat-conducting contact device
4.1.1.1 elektrisch isolierende, wärmeleitende Verteilerschicht 4.1.1.1 electrically insulating, thermally conductive distribution layer
4.1.4.2 Metallschicht  4.1.4.2 Metal layer
4.1.4.3 Löt- oder Schweißkontakt  4.1.4.3 soldering or welding contact
4.1.2 strukturierte Oberfläche kalte Seite des thermoeiektrischen Elements 4  4.1.2 structured surface cold side of the thermoelectric element 4
elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontaktvorrichtung  electrically insulating, heat-conducting contact device
strukturierte Oberfläche  structured surface
5 wärmeableitetende Vorrichtung 5 heat-dissipating device
5.1 elektrisch isolierender, wärmeleitender Kontakt zwischen der kalten Seite 5.1 electrically insulating, thermally conductive contact between the cold side
4.2 des TEEs 4 und der wärmeableitetenden Vorrichtung 5  4.2 of the TEE 4 and the heat-dissipating device 5
A-B-A'-B' Ebene des Längsschnitts durch die Seitenansicht des Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Figur 13 A-B-A'-B 'plane of the longitudinal section through the side view of the detail of a device 1 according to the invention according to FIG. 13
C-D-C'-D' Ebene des Querschnitts durch den Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Figur 13 E-F-E'-F' Ebene des Schnitts durch die Ansicht von oben des Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Figur 13 CD-C'-D 'plane of the cross section through the section of a device 1 according to the invention according to FIG. 13 EF-E'-F 'plane of the section through the top view of the section of a device 1 according to the invention according to FIG. 13
G Gravitation G gravity
h.v Solarenergie h.v solar energy
Die Figur 1 zeigt ein Fließschema, die das Funktionsp nzip der Vorrichtung 1 verdeutiicht. FIG. 1 shows a flow chart which illustrates the functional principle of the device 1.
Eine Quelle thermischer Energie 2 wurde über ein im Längsschnitt dargestelltes Wärmerohr 3.1 mit dem Wandungen 3.1.3 elektrisch isolierend, wärmeleitend mit der heißen Seite 4.1 eines TEEs 4 verbunden. Dazu wurde das Ende 3.1.1 des Wärmerohrs wärmeleitend mit der Quelle der thermischen Energie 2 verbunden. Das andere EndeA source of thermal energy 2 was electrically insulated, thermally conductively connected to the hot side 4.1 of a TEE 4 via a heat pipe 3.1 shown in longitudinal section with the walls 3.1.3. For this purpose, the end 3.1.1 of the heat pipe was thermally conductively connected to the source of thermal energy 2. The other end
3.1.2 des Wärmerohrs 3.1 wurde wärmeleitend und elektrisch isolierend mit der heißen Seite 4.1 verbunden. In dem TEE 4 wurde durch die zugeführte thermische Energie eine elektrische Spannung erzeugt, mit deren Hilfe Strom erzeugt werden konnte. Die restliche zugeführte thermische Energie wurde über die kalte Seite 4.2 des TEE 4 mittels eines elektrisch isolierenden, wärmeleitendem Kontakts 5.1 einer wärmeableitetenden Vorrichtung 5 zugeführt. 3.1.2 of the heat pipe 3.1 was thermally conductive and electrically insulating connected to the hot side 4.1. In the TEE 4, an electrical voltage was generated by the supplied thermal energy, with the help of which electricity could be generated. The remaining supplied thermal energy was supplied via the cold side 4.2 of the TEE 4 by means of an electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 of a heat-dissipating device 5.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 2 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1 ) wurde das Ende 3.1.2 eines Wärmerohrrohrs 3.1 (im Längsschnitt dargestellt), dessen Wandung 3.1.3 aus Kupfer bestand, über eine eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Keramik umfassende, dem Ende 3.1.3 angepasste Vorrichtung 4.1.1 wärmeleitend mit der heißen Seite 4.1 des TEE 4 verbunden. Als arbeitende Flüssigkeit wurde im Wärmerohr 3.1 Wasser einer Temperatur von maximal 250°C verwendet. Das Ende 3.1.2 wurde mit der Vorrichtung 4.1.1 mittels einer hoch temperaturbeständigen Klebschicht (nicht eingezeichnet) haftfest verbunden. Die restliche zugeführte thermische Energie wurde über den Kontakt 5.1 der wärmeableitenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) zugeführt. Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 3 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1) bestand ein direkter Kontakt zwischen der heißen Seite 4.1 des TEEs 4 und dem Inneren des Wärmerohrs 3.1 mit der WandungIn the embodiment of the device 1 according to FIG. 2 (shown is the section of interest from the device 1), the end 3.1.2 of a heat pipe 3.1 (shown in longitudinal section) whose wall 3.1.3 was made of copper has an electrically insulating one , thermally conductive ceramic comprehensive, the end 3.1.3 adapted device 4.1.1 thermally conductively connected to the hot side 4.1 of the TEE 4. As working liquid 3.1 water of a maximum temperature of 250 ° C was used in the heat pipe. The end 3.1.2 was connected to the device 4.1.1 by means of a high temperature resistant adhesive layer (not shown) adherent. The remaining applied thermal energy was supplied via the contact 5.1 of the heat-dissipating device 5 (not shown). In the embodiment of the device 1 according to FIG. 3 (shown is the section of interest from the device 1) there was a direct contact between the hot side 4.1 of the TEE 4 and the interior of the heat pipe 3.1 with the wall
3.1.3 aus Kupfer. Als arbeitende Flüssigkeit wurde im Wärmerohr 3.1 Wasser einer Temperatur von maximal 250°C verwendet. Das Ende 3.1.2 des Wärmerohrs 3.1 war über eine eine rechteckige, elektrisch isolierende, wärmeleitende Keramik umfassende, Vorrichtung 4.1.1 wärmeleitend mit der heißen Seite 4.1 des TEE 4 verbunden. Dabei umfasste die rechteckige Vorrichtung 4.1.1 auf ihrer Oberseite noch eine haftfest verbundene etalischicht, an die das Ende 3.1.2 haftfest und gasdicht angeiötet worden war. Bei dieser offenen Ausführungsform konnte die arbeitende Flüssigkeit direkt auf der heißen Seite 4.1 kondensieren, wodurch die Wärmeübertragung auf das TEE 4 besonders effektiv war. Außerdem konnte wegen der rechteckigen Konfiguration der Vorrichtung 4.1.1 nahezu die gesamte Oberfläche des TEE für die Übertragung der thermischen Energie genutzt werden. Die restliche zugeführte thermische Energie wurde auch hier über die kalte Seite 4.2 über einen elektrisch isolierenden, wärmeleitendem Kontakt 5.1 der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) zugeführt. 3.1.3 made of copper. As working liquid 3.1 water of a maximum temperature of 250 ° C was used in the heat pipe. The end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 was thermally conductively connected to the hot side 4.1 of the TEE 4 via a rectangular, electrically insulating, thermally conductive ceramic device 4.1.1. there included the rectangular device 4.1.1 on its top nor a firmly adhered et alischicht to which the end was 3.1.2 adherent and gas-tight angeiötet. In this open embodiment, the working liquid could condense directly on the hot side 4.1, whereby the heat transfer to the TEE 4 was particularly effective. In addition, because of the rectangular configuration of the device 4.1.1, almost the entire surface of the TEE could be used for thermal energy transfer. The rest of the supplied thermal energy was supplied here via the cold side 4.2 via an electrically insulating, heat-conducting contact 5.1 of the heat-dissipating device 5 (not shown).
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 4 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1 ) entsprach der Ausführungsform gemäß der Figur 3, nur dass auf der heißen Seite 4.1 noch eine strukturierte Oberfläche 4.1.2 angeordnet war. Die strukturierte Oberfläche 4.1.2 wurde durch wärmeleitende Rillen aus Kupfer gebildet. Die wärmeleitenden Rillen waren von der heißen Seite 4.1 durch eine wenige Atomlagen starke isolierende Oxidschicht (nicht eingezeichnet) elektrisch isoliert. The embodiment of the device 1 according to FIG. 4 (shown is the section of interest from the device 1) corresponded to the embodiment according to FIG. 3, except that a structured surface 4.1.2 was still arranged on the hot side 4.1. The structured surface 4.1.2 was formed by thermally conductive grooves made of copper. The thermally conductive grooves were electrically insulated from the hot side 4.1 by a few atomic layers of insulating oxide layer (not shown).
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 5 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1) wies ein Wärmerohr 3.1 (im Längsschnitt dargestellt) mit einer Wandung 3.1.3 aus Kupfer und mit Wasser einer maximalen Temperatur von 250°C als arbeitender Flüssigkeit auf. Sein Ende 3.1.2 war wie bei der offenen Ausführungsform gemäß der Figur 3 mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung 4.1.1 in der Form einer Platte aus wärmeleitfähiger Keramik haftfest und gasdicht verbunden. Die Platte 4.1.1 aus wärmeleitfähiger Keramik stand auf ihrer gegenüber liegenden Seite in wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite mindestens zweier TEE 4, In dieser Weise konnte die durch das Wärmerohr 3.1 zugeführte thermische Energie effizient auf mehrere TEE 4 verteilt werden. Die restliche zugeführte thermische Energie wurde auch hier über die kalte Seite 4.2 der TEE über elektrisch isolierende, wärmeleitenden Kontakte 5.1 der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) zugeführt. The embodiment of the device 1 according to FIG. 5 (shown is the section of interest from the device 1) has a heat pipe 3.1 (shown in longitudinal section) with a wall 3.1.3 made of copper and with water having a maximum temperature of 250 ° C. as a working liquid on. Its end 3.1.2 was as in the open embodiment of Figure 3 with an electrically insulating, heat-conductive contact device 4.1.1 in the form of a plate of thermally conductive ceramic adhesive and gas-tight connected. The plate 4.1.1 made of thermally conductive ceramic was on its opposite side in heat-conducting contact with the hot side of at least two TEE 4, In this way, through the heat pipe 3.1 supplied thermal energy could be distributed efficiently to several TEE. The remaining supplied thermal energy was also supplied here via the cold side 4.2 of the TEE via electrically insulating, heat-conducting contacts 5.1 of the heat-dissipating device 5 (not shown).
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 6 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1) entspricht der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 5, nur dass auf der Oberfläche der Platte 4.1.1 aus wärmeleitfähiger Keramik noch eine strukturierte Oberfläche 4.1.2 angeordnet war. Die strukturierte Oberfläche 4.1.2 wurde durch wärmeleitende Rilien aus Kupfer gebildet. Hierdurch konnte die Effizienz der Wärmeübertragung weiter gesteigert werden. The embodiment of the device 1 according to FIG. 6 (shown is the section of interest from the device 1) corresponds to the embodiment of the device 1 according to FIG. 5, except that on the surface of the plate 4.1.1 made of thermally conductive ceramic there is still a structured surface 4.1. 2 was arranged. The structured Surface 4.1.2 was formed by thermally conductive rivets of copper. This has further increased the efficiency of heat transfer.
Die Figur 7 zeigt ein Fließschema, die das Funktionsprinzip einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung 1 verdeutlicht. FIG. 7 shows a flow chart which illustrates the functional principle of a preferred embodiment of the device 1.
Eine Quelle thermischer Energie 2 wurde über ein im Längsschnitt dargestelltes Wärmerohr 3.1 mit dem Wandungen 3.1.3 elektrisch isolierend, wärmeieitend mit der heißen Seite 4.1 eines TEEs 4 verbunden. Dazu wurde das Ende 3.1.1 des Wärmerohrs wärmeleitend und gegebenenfalls elektrisch isolierend mit der Quelle der thermischen Energie 2 verbunden. Das andere Ende 3.1.2 des Wärmerohrs 3.1 wurde elektrisch isolierend mit der heißen Seite 4.1 verbunden. In dem TEE 4 wurde durch die zugeführte thermische Energie eine elektrische Spannung erzeugt, mit deren Hiife Strom erzeugt werden konnte. Die restliche zugeführte thermische Energie wurde über die kalte Seite 4.2 des TEEs 4 mittels eines zweiten Wärmerohrs 3.2 mit der Wandung 3.2.3 als elektrisch isolierenden, wärmeleitendem Kontakt 5.1 mit einer wärmeableitetenden Vorrichtung 5 verbunden. Dabei war das Ende 3.2.1 des Wärmerohrs mit der kalten Seite 4.2 etektrisch isolierend, wärmeleitend verbunden, und das Ende 3.2.2 war mit der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 wärmeleitend sowie gegebenenfalls elektrisch isolierend verbunden. Die arbeitende Flüssigkeit des Wärmerohrs 3.2 wurde an seinem Ende 3.2.1 durch die von der kalten Seite 4.2 übertragene restliche zugeführte thermische Energie verdampft und an dem Ende 3.2.2 wieder kondensiert, wodurch der elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontakt 5.1 mit der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 geschlossen wurde und die restliche zugeführte thermische Energie auf die Vorrichtung 5 zur weiteren Nutzung übertragen wurde. A source of thermal energy 2 was connected via a heat pipe 3.1 shown in longitudinal section with the walls 3.1.3 electrically insulating, wärmeieitend with the hot side 4.1 of a TEEs 4. For this purpose, the end of the heat pipe 3.1.1 thermally conductive and optionally electrically insulating with the source of thermal energy 2 was connected. The other end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 was connected to the hot side 4.1 electrically insulating. In the TEE 4, an electrical voltage was generated by the supplied thermal energy, with whose Hiife power could be generated. The remaining supplied thermal energy was connected via the cold side 4.2 of the TEEs 4 by means of a second heat pipe 3.2 with the wall 3.2.3 as an electrically insulating, heat-conducting contact 5.1 with a heat-dissipating device 5. In this case, the end 3.2.1 of the heat pipe with the cold side 4.2 was electrically insulating, thermally conductively connected, and the end 3.2.2 was connected to the heat-dissipating device 5 thermally conductive and optionally electrically insulating. The working liquid of the heat pipe 3.2 was vaporized at its end 3.2.1 by the transferred from the cold side 4.2 residual thermal energy supplied and condensed again at the end of 3.2.2, whereby the electrically insulating, heat-conducting contact 5.1 with the heat-dissipating device 5 closed was transferred and the remaining supplied thermal energy to the device 5 for further use.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 8 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtungl) wurde das Ende 3.2.1 des Wärmerohrrohrs 3.2 (im Längsschnitt dargestellt), dessen Wandung 3.2.3 aus Kupfer bestand, über eine eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Keramik umfassende, dem Ende 3.2.1 angepasste Vorrichtung 4.2.1 wärmeleitend mit der kalten Seite 4.2 des TEEs 4 verbunden. Als arbeitende Flüssigkeit wurde im Wärmerohr 3,2 Wasser einer Temperatur von maximal 250°C verwendet. Das Ende 3.2.1 wurde mit der Vorrichtung 4.2.1 mittels einer hoch temperaturbeständigen Klebschicht (nicht eingezeichnet) haftfest verbunden. Das Wärmerohr 3.1 konnte mit der heißen Seite 4.1 des TEE 4 in der bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß den Figuren 2, 3 oder 4 aufgezeigten Weise verbunden werden. In the embodiment of the device 1 according to FIG. 8 (shown is the section of interest from the device 1), the end 3.2.1 of the heat pipe 3.2 (shown in longitudinal section), whose wall 3.2.3 was made of copper, has an electrically insulating, thermally conductive ceramic comprehensive, the end 3.2.1 adapted device 4.2.1 thermally conductively connected to the cold side 4.2 of the TEEs 4. As working liquid, 3.2% of water at a maximum temperature of 250 ° C was used in the heat pipe. The end 3.2.1 was connected to the device 4.2.1 by means of a high temperature resistant adhesive layer (not shown) adherent. The heat pipe 3.1 could with the hot side 4.1 of the TEE 4 in the at previously described embodiments according to the figures 2, 3 or 4 shown manner are connected.
Bei der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 9 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1) bestand ein direkter Kontakt zwischen der kalten Seite 4.2 des TEEs 4 und dem Inneren des Wärmerohrs 3.2 mit der Wandung 3.2.3 aus Kupfer. Als arbeitende Flüssigkeit wurde im Wärmerohr 3.2 Wasser einer Temperatur von maximal 250°C verwendet. Das Ende 3.2.1 des Wärmerohrs 3.2 war über eine eine ringförmige, elektrisch isolierende, wärmeleitende Keramik umfassende, Vorrichtung 4.2.1 wärmeleitend mit der kalten Seite 4.2 des TEEs 4 verbunden. Dabei umfasste die ringförmige Vorrichtung 4.2.1 auf ihrer Oberseite noch eine haftfest verbundene etallschicht (nicht eingezeichnet), an die das Ende 3.2.1 haftfest und gasdicht angelötet worden war. Bei dieser offenen Ausführungsform konnte die arbeitende Flüssigkeit direkt auf der kalten Seite 4.2 Verdampfern, wodurch die Wärmeübertragung auf die wärmeableitetende Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) besonders effektiv war. Die restliche zugeführte thermische Energie wurde der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) zugeführt. Das Wärmerohr 3.1 konnte mit der heißen Seite 4.1 des TEEs 4 in der bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß den Figuren 2, 3 oder 4 aufgezeigten Weise verbunden werden. In the embodiment of the device 1 according to FIG. 9 (shown is the section of interest from the device 1) there was direct contact between the cold side 4.2 of the TEE 4 and the interior of the heat pipe 3.2 with the wall 3.2.3 made of copper. As working liquid 3.2 water of a temperature of maximum 250 ° C was used in the heat pipe. The end 3.2.1 of the heat pipe 3.2 was heat-conductively connected to the cold side 4.2 of the TEU 4 via a device 4.2.1 comprising a ring-shaped, electrically insulating, thermally conductive ceramic. In this case, the ring-shaped device 4.2.1 still included on its upper side an adherent bonded metal layer (not shown) to which the end 3.2.1 had been adhesively bonded and gas-tight. In this open embodiment, the working liquid could evaporate directly on the cold side 4.2, whereby the heat transfer to the heat-dissipating device 5 (not shown) was particularly effective. The remaining applied thermal energy was supplied to the heat-dissipating device 5 (not shown). The heat pipe 3.1 could be connected to the hot side 4.1 of the TEE 4 in the manner shown in the embodiments described above according to the figures 2, 3 or 4.
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 10 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1 ) entsprach der Ausführungsform gemäß der Figur 9, nur dass auf der kalten Seite 4.2 noch eine strukturierte Oberfläche 4.2.2 angeordnet war, Die strukturierte Oberfläche 4,2.2 wurde durch wärmeleitende Rillen aus Kupfer gebildet. Die wärmeleitenden Rillen 4.2.2 waren von der kalten Seite 4.2 durch eine wenige Atomlagen starke isolierende Oxidschicht (nicht eingezeichnet) elektrisch isoliert. Durch die wärmeleitenden Rillen 4.2,2 konnte die Verdampfungsrate der arbeitenden Flüssigkeit und damit die Effizienz der Übertragung der restlichen zugeführten thermischen Energie auf die wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) weiter gesteigert werden. The embodiment of the device 1 according to FIG. 10 (shown is the section of interest from the device 1) corresponded to the embodiment according to FIG. 9, except that a structured surface 4.2.2 was still arranged on the cold side 4.2. The structured surface 4, FIG. 2.2 was formed by thermally conductive grooves made of copper. The thermally conductive grooves 4.2.2 were electrically insulated from the cold side 4.2 by a few atomic layers of insulating oxide layer (not shown). By the thermally conductive grooves 4.2.2, the evaporation rate of the working liquid and thus the efficiency of the transfer of the remaining applied thermal energy to the heat-dissipating device 5 (not shown) could be further increased.
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 11 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1 ) wies ein Wärmerohr 3.2 (im Längsschnitt dargestellt) mit einer Wandung 3.2.3 aus Kupfer und mit Wasser einer maximalen Temperatur von 250°C als arbeitender Flüssigkeit auf. Sein Ende 3.2.1 war wie bei der offenen Ausführungsform gemäß der Figur 9 mit einer elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung 4,2.1 in der Form einer Platte aus wärmeleitfähiger Keramik haftfest und gasdicht verbunden. Die Platte 4.2.1 aus wärmeleitfähiger Keramik stand auf ihrer gegenüber liegenden Seite in wärmeleitendem Kontakt mit der kalten Seite 4.2 mindestens zweier TEE 4. In dieser Weise konnte die restliche zugeführte thermische Energie mehrerer TEE 4 über das Wärmerohr 3.2 der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) zugeführt werden. Die Zufuhr der thermischen Energie von der Quelle 2 zu den heißen Seite 4.1 der TEE erfolgte mithilfe der Ausführungsform gemäß der Figur 5. The embodiment of the device 1 according to FIG. 11 (shown is the section of interest from the device 1) has a heat pipe 3.2 (shown in longitudinal section) with a wall 3.2.3 made of copper and with water at a maximum temperature of 250 ° C. as a working liquid on. His end was 3.2.1 as in the open embodiment according to the figure 9 with an electrically insulating, thermally conductive contact device 4,2.1 in the form of a plate made of thermally conductive ceramic adherent and gas-tight. The plate 4.2.1 made of thermally conductive ceramic was on its opposite side in heat-conducting contact with the cold side 4.2 at least two TEE 4. In this way, the remaining supplied thermal energy of several TEE 4 on the heat pipe 3.2 of the heat-dissipating device 5 (not shown ). The supply of the thermal energy from the source 2 to the hot side 4.1 of the TEE was carried out by means of the embodiment according to FIG. 5.
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 12 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1 ) entsprach der Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 1 1 , nur dass noch eine strukturierte Oberfläche 4.2.2 auf der Oberfläche der Platte 4.2.1 aus wärmeleitfähiger Keramik angeordnet war. Die strukturierte Oberfläche 4.2.2 wurde durch wärmeleitende Rillen aus Kupfer gebildet. In dieser Weise konnte die Verdampfungsrate der arbeitenden Flüssigkeit weiter erhöht und die Effizienz der Übertragung der restlichen zugeführten thermischen Energie auf die wärmeableitetende Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) weiter gesteigert werden. Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 (gezeigt ist der interessierende Ausschnitt aus der Vorrichtung 1) wies ein Wärmerohr 3.1 mit einer Wandung aus Kupfer 3.1.3 und Wasser einer maximalen Temperatur von 250°C als arbeitender Flüssigkeit auf. Die Wandung 3.1.3 war im Inneren des Wärmerohrs 3.1 mit einer Kapillarstruktur 3.1.4 mit Dochtwirkung, die aus einem nanoporösen Material aufgebaut war, beschichtet. Die Kapillarstruktur 3.1.4 diente dem Rücktransport der am Ende 3.1.2 des Wärmerohrs 3.1 kondensierten arbeitenden Flüssigkeit zu ihrem Ende 3.1.1 (nicht eingezeichnet), wo sie durch die von der Quelle thermische Energie 2 (nicht eingezeichnet) zugeführte thermische Energie erneut verdampft wurde. Im Bereich ihres Endes 3.1.2 tag das Wärmerohr 3.1 horizontal mit der heißen Seite 4.1 eines TEE 4 über die Kontaktvorrichtung 4.1.1 elektrisch isolierend und thermisch leitend sowie haftfest und gasdicht verbunden. Die Kontaktvorrichtung 4.1.1 umfasste einen flächenförmigen Lötkontakt (nicht eingezeichnet), der von der heißen Seite 4.1 durch eine wenige Atom!agen starke elektrisch isolierende Oxidschicht (nicht eingezeichnet) isoliert war. Die Figur 13a zeigt die Schnättebenen A-B-A'-B', C-D-C'-D' und E-F-E'-F', die durch die Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 zur Erzeugung der Figuren 13b, 13c und 13d. Dabei bedeuten die Schnittebenen - A-B-A'-B' die Ebene des Längsschnitts durch die Seitenansicht des Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Figur 13, The embodiment of the device 1 according to FIG. 12 (shown is the section of interest from the device 1) corresponded to the embodiment of the device 1 according to FIG. 11 except that a structured surface 4.2.2 on the surface of the plate 4.2.1 was still made thermally conductive ceramic was arranged. The structured surface 4.2.2 was formed by thermally conductive grooves made of copper. In this way, the evaporation rate of the working liquid could be further increased, and the efficiency of transferring the residual supplied thermal energy to the heat-dissipating device 5 (not shown) could be further increased. The embodiment of the device 1 according to FIG. 13 (the section of interest from the device 1 shown) had a heat pipe 3.1 with a wall of copper 3.1.3 and water at a maximum temperature of 250 ° C. as a working liquid. The wall 3.1.3 was coated inside the heat pipe 3.1 with a wicking capillary structure 3.1.4 constructed of a nanoporous material. The capillary structure 3.1.4 served the return transport of the condensed at the end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 working liquid to its end 3.1.1 (not shown), where it is re-evaporated by the thermal energy from the source 2 (not shown) supplied thermal energy has been. In the area of its end 3.1.2 day, the heat pipe 3.1 horizontally connected to the hot side 4.1 of a TEE 4 via the contact device 4.1.1 electrically insulating and thermally conductive and adherent and gas-tight. The contact device 4.1.1 comprised a sheet-like soldering contact (not shown), which was insulated from the hot side 4.1 by a strong, electrically insulating oxide layer (not shown) that had a few atomic amounts. FIG. 13a shows the slicing planes AB-A'-B ', CD-C'-D' and EF-E'-F 'produced by the device 1 according to FIG. 13 for producing FIGS. 13b, 13c and 13d. The sectional planes AB-A'-B 'here mean the plane of the longitudinal section through the side view of the detail of a device 1 according to the invention according to FIG. 13,
die Ebene des Querschnitts durch den Ausschnitt aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Figur 13 und  the plane of the cross section through the section of a device 1 according to the invention according to Figure 13 and
die Ebene des Schnitts durch die Ansicht von oben des Ausschnitts aus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß Figur 13.  the plane of the section through the top view of the section of a device 1 according to the invention according to FIG. 13.
Die Schnitte A-B-A'-B' gemäß der Figur 13b, C-D-C'-D' gemäß der Figur 13c und E-F-E'-F' gemäß der Figur 13d zeigen, dass es sich bei der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 um eine offene Ausführungsform handelte, bei der die heiße Seite 4.1 des TEEs 4 in direktem Kontakt mit dem inneren des Wärmerohrs 3.1 stand (offene Ausführungsform). Das Wärmerohr 3.1 wies eine Wandung 3.1.3 aus Kupfer, eine Kapillarstruktur 3.1.4 mit Dochtwirkung und Wasser einer maximalen Temperatur von 250°C als arbeitender Flüssigkeit auf. Im Bereich der Öffnung des Wärmerohrs 3.1 befand sich auf der heißen Seite 4.1 eine strukturierte Oberfläche 4.1 ,2, die von Rillen aus wärmeleitender Keramik gebildet wurde. Sofern die heiße Seite des TEEs noch elektrisch leitfähige Strukturen enthielt, erstreckte sich die elektrisch isolierende, wärmeleitenden Kontaktvorrichtung 4.1.1 auch unter die strukturierte Oberfläche 4.1.2. Dadurch konnte die Verdampfungsrate der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit erhöht und die Effizienz der Übertragung der von der Quelle der thermischen Energie 2 (nicht eingezeichnet) gelieferte thermische Energie gesteigert werden. Der elektrisch isolierende, thermisch leitende Kontakt 5.1 der kalten Seite 4.2 des TEE 4 mit der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) konnte wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß den Figuren 8, 9 und 10 beschrieben, hergesteilt werden. Da die Rillen 4.1.2 aus wärmeleitender Keramik nicht in direktem Kontakt mit der Kapillarstruktur 3.1.4 mit Dochtwirkung standen, so dass die kondensierte arbeitende Flüssigkeit nicht durch Kapillarkräfte vom Ende 3.1.2 des Wärmerohrs 3.1 zur erneuten Verdampfung zum Ende 3.1.1 (nicht eingezeichnet) wegtransportiert werden konnte, konnte die Vorrichtung 1 gemäß Figur 13 nur in geneigter oder vertikaler Ausrichtung betrieben werden, so dass der Rücktransport der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit durch die Gravitation erfolgte. indes war es möglich, anstelle einer an der Innenseite der Wandung 3.13 des Wärmerohrs 3.1 angebrachte Kapil!arstruktur 3.1.4, das gesamte Innere des Wärmerohrs 3.1 mit einer aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildeten Kapiliarstruktur 3.1.4 aufzufüllen, so dass ein direkter Kontakt zwischen den Rillen 4.1.2 und der Kapiliarstruktur 3.1.4 bestand. Dadurch konnte die kondensierte arbeitende Flüssigkeit durch Kapilfarkräfte wegtransportiert werden, weswegen diese Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 13 in beliebiger räumlicher Anordnung betrieben werden konnte. The sections AB-A'-B 'according to FIG. 13b, CD-C'-D' according to FIG. 13c and EF-E'-F 'according to FIG. 13d show that the device 1 according to FIG was an open embodiment in which the hot side 4.1 of the TEEs 4 was in direct contact with the inside of the heat pipe 3.1 (open embodiment). The heat pipe 3.1 had a wall 3.1.3 made of copper, a capillary structure 3.1.4 with wicking and water of a maximum temperature of 250 ° C as a working liquid. In the area of the opening of the heat pipe 3.1 was on the hot side 4.1 a structured surface 4.1, 2, which was formed by grooves made of thermally conductive ceramic. If the hot side of the TEEs still contained electrically conductive structures, the electrically insulating, heat-conducting contact device 4.1.1 also extended below the structured surface 4.1.2. This increased the evaporation rate of the condensed working fluid and increased the efficiency of transmitting the thermal energy delivered by the source of thermal energy 2 (not shown). The electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 of the cold side 4.2 of the TEE 4 with the heat dissipation device 5 (not shown) could be produced as described in the embodiments described above according to FIGS. 8, 9 and 10. Since the grooves 4.1.2 made of thermally conductive ceramics were not in direct contact with the capillary structure 3.1.4 with wicking, so that the condensed working liquid not by capillary forces from the end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 for re-evaporation to the end 3.1.1 (not drawn) could be transported away, the device 1 could be operated according to Figure 13 only in inclined or vertical orientation, so that the return transport of the condensing working liquid was carried out by gravity. However, instead of a capillary structure 3.1.4 attached to the inside of the wall 3.13 of the heat pipe 3.1, it was possible to fill up the entire interior of the heat pipe 3.1 with a capillary structure 3.1.4 formed from electrically insulating ceramic fibers, so that a direct contact between the heat pipes 3.1 Grooves 4.1.2 and Kapiliarstruktur 3.1.4 existed. As a result, the condensed working fluid could be transported away by Kapilfarkräfte, which is why this embodiment of the device 1 could be operated in accordance with Figure 13 in any spatial arrangement.
Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 14 {gezeigt ist nur der interessierende Ausschnitt) wies auf der heißen Seite 4.1 des TEEs 4 ein Wärmerohr 3.1 auf, das, wie bei der offenen Ausführungsform der Figuren 13 und 13b, 13c und 13d beschrieben, in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite 4.1 stand. Wie bei der Ausführungsform gemäß der Figur 13 diente das Wärmerohr 3.1 der Übertragung der von der Quelle der thermischen Energie 2 (nicht eingezeichnet) gelieferten thermischen Energie auf das TEE 4. Der elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontakt 5.1 zwischen der kalten Seite 4.2 des TEEs 4 und der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 {nicht eingezeichnet) wurde von dem Wärmerohr 3.2 mit der Wandung 3.2.3 aus Kupfer und Wasser einer maximalen Temperatur von 250°C als arbeitender Flüssigkeit übernommen. Das Wärmerohr 3.2 war im Bereich seines Endes 3.2.1 mit der kalten Seite 4.2 über die Kontaktvorrichtung 4.2.1 elektrisch isolierend und wärmeleitend verbunden. Die Ausführungsform des Wärmerohrs 3.2 und und seines Kontakts mit der kalten Seite 4.2 entsprach genau der offenen Ausführungsform der Figuren13 und13b, 13c und 13d. Dies kann in einfacher Weise verdeutlicht werden, wenn man in der Figur 13b die auf das Wärmerohr 3.1 und die auf die heiße Seite 4.1 bezogenen Bezugszeichen durch die auf das Wärmerohr 3.2 und auf die kalte Seite 4.2 bezogenen Bezugszeichen ersetzt. Dabei entsprechen die Bezugszeichen einander wie folgt: 3.1 = 3.2, The embodiment of the device 1 according to FIG. 14 (only the section of interest is shown) had on the hot side 4.1 of the TEU 4 a heat pipe 3.1 which, as described in the open embodiment of FIGS. 13 and 13b, 13c and 13d, in FIG electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side was 4.1. As in the embodiment of FIG. 13, the heat pipe 3.1 served to transmit the thermal energy delivered by the source of thermal energy 2 (not shown) to the TEE 4. The electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 between the cold side 4.2 of the TEU 4 and the heat-dissipating device 5 {not shown) was taken over by the heat pipe 3.2 with the wall 3.2.3 of copper and water of a maximum temperature of 250 ° C as a working liquid. The heat pipe 3.2 was connected in the region of its end 3.2.1 with the cold side 4.2 via the contact device 4.2.1 electrically insulating and thermally conductive. The embodiment of the heat pipe 3.2 and its contact with the cold side 4.2 corresponded exactly to the open embodiment of Figures 13 and 13b, 13c and 13d. This can be illustrated in a simple manner, if in FIG. 13b the reference numbers relating to the heat pipe 3.1 and the hot side 4.1 are replaced by the reference numbers referring to the heat pipe 3.2 and to the cold side 4.2. The reference numerals correspond to each other as follows: 3.1 = 3.2,
3.1 »2 3.2 , i 3.1 »2 3.2, i
3.1.3 = 3.2.3,  3.1.3 = 3.2.3,
3.1.4 = 3.2.4,  3.1.4 = 3.2.4,
4.1 = 4.2, 4.1 = 4.2,
4.1.1 = 4.2.1 und 4.1.1 = 4.2.1 and
4.1.2 = 4.2.2. Bei der offenen Ausführungsform gemäß der Figur 14 standen die Rillen 4.1.2 und 4.2.2 aus wärmeleitender Keramik nicht in direktem Kontakt mit der Kapillarstrukturen 3.1.4 und 3.2.4 mit Dochtwirkung. Deswegen konnte die kondensierte arbeitende Flüssigkeit nicht durch Kapillarkräfte vom Ende 3.1.2 des Wärmerohrs 3.1 zur erneuten Verdampfung zum Ende 3.1.1 (nicht eingezeichnet) wegtransportiert werden. Die Vorrichtung 1 gemäß Figur 14 konnte daher nur in vertikaler Ausrichtung betrieben werden, so dass der Rücktransport der kondensierten arbeitenden Flüssigkeit im Wärmerohr 3.1 durch die Gravitation erfolgte. 4.1.2 = 4.2.2. In the open embodiment of Figure 14, the grooves 4.1.2 and 4.2.2 of thermally conductive ceramic were not in direct contact with the capillary structures 3.1.4 and 3.2.4 with wicking. Therefore, the condensed working liquid could not be transported away by capillary forces from the end 3.1.2 of the heat pipe 3.1 to the re-evaporation to the end 3.1.1 (not shown). The device 1 according to FIG. 14 could therefore only be operated in a vertical orientation, so that the return transport of the condensed working liquid in the heat pipe 3.1 was effected by gravity.
Im Gegensatz dazu konnte die am Ende 3.2.2 des Wärmerohrs 3.2 (nicht eingezeichnet) kondensierte arbeitende Flüssigkeit über die Kapillarstruktur 3.2.4 wieder zum Verdampfen zum Ende 3.2.1 zurücktransportiert werden, so dass das Wärmerohr 3.2 räumlich beliebig ausgerichtet werden konnte. In contrast, the working liquid condensed at the end 3.2.2 of the heat pipe 3.2 (not shown) could be transported back to the end 3.2.1 via the capillary structure 3.2.4 for evaporation, so that the heat pipe 3.2 could be spatially arbitrarily aligned.
Indes war es auch bei der Ausführungsform gemäß der Abbildung 14 möglich, anstelle einer an der Innenseite der Wandung 3.1.3 des Wärmerohrs 3.1 angebrachte Kapillarstruktur 3.1.4 das gesamte Innere des Wärmerohrs 3.1 mit einer aus elektrisch isolierenden Keramikfasern gebildeten Kapillarstruktur 3.1.4 aufzufüllen, so dass ein direkter Kontakt zwischen den Rillen 4.1.2 und der Kapiilarstruktur 3.1.4 bestand. Dadurch konnte die kondensierte arbeitende Flüssigkeit durch Kapillarkräfte wegtransportiert werden, weswegen diese Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 14 in beliebiger räumlicher Anordnung betrieben werden konnte. Die Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäß der Figur 15 wies einen Vakuumröhrenkollektor als Quelle der thermischen Energie 2 auf. Der Vakuumröhrenkoliektor 2 umfasste eine Vakuumröhre 2.1 als thermisch isolierenden Mantel. Auf ihre Innenseite war eine schwarze Absorberschicht 2.2 für die Solarenergie hv angebracht. Die Absorberschicht 2.2 war über wärmeleitenden Zentrierungsvorrichtungen 2.3 mit dem Wärmerohr 3.1 thermisch und mechanisch verbunden. Der Innenraum des Vakuumröhrenkollektors 2 war durch die Verschlusskappe 2.4 verschlossen. Das Wärmerohr 3.1 wies eine Wandung 3.1.3 aus Kupfer, auf der Innenseite der Wandung 3.1.3 eine Kapillarstruktur 3.1.4 mit Dochtwirkung und Wasser einer maximalen Temperatur von 250°C als arbeitende Flüssigkeit auf. Der über die Verschlusskappe 2.4 hinausragende Teil des Wärmerohrs 3.1 war mittels der Kontaktvorrichtung 4.1.1 mit der heißen Seite 4.1 des TEEs elektrisch isolierend und wärmeleitend verbunden. Die Kontaktvorrichtung 4.1 ,1 umfasste eine Lötkontakt 4.1.1.3, eine Metal!schicht 4.1.1.2 sowie eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Vertei (erschient 4.1.1.1 aus Keramik. Die Metailschicht 4.1.1.2 war haftfest mit der Verteilerschicht 4.1.1.1 verbunden. Der elektrisch isolierende, thermisch leitende Kontakt 5.1 der kalten Seite 4.2 des TEE 4 mit der wärmeabfeitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) konnte, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß den Figuren 8 bis 12 beschrieben, hergestellt werden. However, it was also possible in the embodiment according to Figure 14, instead of a mounted on the inside of the wall 3.1.3 of the heat pipe 3.1 capillary 3.1.4 fill the entire interior of the heat pipe 3.1 with a formed of electrically insulating ceramic fibers capillary 3.1.4, so that there was a direct contact between the grooves 4.1.2 and the Kapiilarstruktur 3.1.4. As a result, the condensed working liquid could be transported away by capillary forces, which is why this embodiment of the device 1 according to FIG. 14 could be operated in any desired spatial arrangement. The embodiment of the device 1 according to FIG. 15 has a vacuum tube collector as the source of the thermal energy 2. The vacuum tube co-former 2 comprised a vacuum tube 2.1 as a thermally insulating jacket. On its inside was a black absorber layer 2.2 for the solar energy hv attached. The absorber layer 2.2 was thermally and mechanically connected to the heat pipe 3.1 via heat-conducting centering devices 2.3. The interior of the vacuum tube collector 2 was closed by the cap 2.4. The heat pipe 3.1 had a wall 3.1.3 made of copper, on the inside of the wall 3.1.3 a capillary structure 3.1.4 with wicking and water of a maximum temperature of 250 ° C as working liquid. The over the cap 2.4 protruding part of the heat pipe 3.1 was connected by means of the contact device 4.1.1 with the hot side 4.1 of the TEEs electrically insulating and thermally conductive. The Contacting device 4.1, 1 comprised a soldering contact 4.1.1.3, a metal layer 4.1.1.2 and an electrically insulating, heat-conducting body (4.1.1.1 made of ceramic.) The metal layer 4.1.1.2 was adhesively bonded to the distributor layer 4.1.1.1 Insulating, thermally conductive contact 5.1 of the cold side 4.2 of the TEE 4 with the heat dissipating device 5 (not shown) could, as described in the embodiments described above according to Figures 8 to 12, are prepared.
Bei der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der Figur 16 (gezeigt ist nur der interessierende Ausschnitt) umfasste die Quelle der thermischen Energie 2 mehrere (hier vier) Ofenkacheln. Diese wiesen auf ihrer Rückseite jeweils ein mäanderförmiges Wärmerohr 3.1 mit den Enden 3.1. und 3.1.2 auf. Die Wärmerohre 3.1 waren an ihren Enden 3.1.2 mit der heißen Seite 4.1 eines TEEs elektrisch isolierend und wärmeleitend verbunden. Der Kontakt konnte, wie bei den Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 bis 6 beschrieben, hergestellt werden. Der elektrisch isolierende, thermisch leitende Kontakt 5.1 der kalten Seite 4.2 des TEEs 4 mit der wärmeableitetenden Vorrichtung 5 (nicht eingezeichnet) konnte, wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß den Figuren 8 bis 12 beschrieben, hergestellt werden. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen, insbesondere die Vorrichtungen 1 gemäß den Figuren 1 bis 16, wiesen zahlreiche überraschende Vorteile auf. In the embodiment of the device 1 according to the invention according to FIG. 16 (only the section of interest is shown), the source of the thermal energy 2 comprised several (here four) oven tiles. These had on their back each a meandering heat pipe 3.1 with the ends 3.1. and 3.1.2 on. The heat pipes 3.1 were connected at their ends 3.1.2 with the hot side 4.1 of a TEE electrically insulating and thermally conductive. The contact could, as described in the embodiments according to Figures 2 to 6, are produced. The electrically insulating, thermally conductive contact 5.1 of the cold side 4.2 of the TEEs 4 with the heat-dissipating device 5 (not shown) could, as described in the embodiments described above according to Figures 8 to 12, are prepared. The devices according to the invention, in particular the devices 1 according to FIGS. 1 to 16, have numerous surprising advantages.
So erfolgte der Temperaturabfall in einer Vorrichtung 1 praktisch vollständig über das TEE 4. D.h., die Temperatur der heißen Seite 4.1 des TEEs 4 war gleich oder nahezu gleich der Temperatur der Wärmequelle bzw. der Quelle der thermischen Energie 2, so dass die Bedingung TH=THH erfüllt war. Gleiches galt für die kalte Seite 4.2, so dass die Bedingung Tc=Tcc ebenfalls erfüllt war. Der Leitungswiderstand RL war gleich oder nahezu gleich 0. Damit stand die gesamte thermische Energie zur Umwandlung in elektrischen Strom zur Verfügung. Dies erhöhte die Ausbeute an elektrischer Energie, weil der Carnot- Wirkungsgrad r\c maximal war (vgl. Gleichung il). Thus, the temperature drop in a device 1 was almost completely across the TEE 4. That is, the temperature of the hot side 4.1 of the TEEs 4 was equal to or nearly equal to the temperature of the heat source or the source of thermal energy 2, so that the condition T H = T HH was fulfilled. The same applied to the cold side 4.2, so that the condition Tc = Tcc was also fulfilled. The line resistance RL was equal to or nearly equal to 0. Thus, all the thermal energy was available for conversion to electrical power. This increased the yield of electrical energy because the Carnot efficiency r \ c was maximal (see equation il).
Statt einen konventionellen massiven metatiischen Wärmeleiter auf die TEE 4 klemmen zu müssen, konnten die TEE nun direkt mit thermisch hoch leitfähigen, strukturierten Oberflächen 4.1.2 wie Schichten aus Nanopartikeln oder rillenartige Wärmetauscher versehen werden, an denen an der heißen Seite 4.1 der TEE 4 die Kondensation und an der kalten Seite 4.2 der TEE 4 die Verdampfung der arbeitenden Flüssigkeit stattfanden. Weil die Rilien oder die Nanopartike! 4.1.2 kein massives System darstellten, gab es auch keine Probleme mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Da die Gehäuse der Wärmerohre 3.1 und 3.2 hohl waren, konnten sie so geformt werden, dass sie nur geringe mechanische Kräfte auf die TEE 4 ausübten, weswegen die resultierenden mechanischen Spannungen und damit die Materialermüdung minimiert werden konnten. Instead of having to clamp a conventional massive metathic heat conductor on the TEE 4, the TEEs could now be provided directly with thermally highly conductive, structured surfaces 4.1.2 such as layers of nanoparticles or groove-like heat exchangers, on which the hot side 4.1 of the TEE 4 Condensation and on the cold side 4.2 of the TEE 4 the evaporation of the working liquid took place. Because the rilies or the nanoparticles! 4.1.2 was not a massive system, there were no problems with different coefficients of expansion. Since the housings of the heat pipes 3.1 and 3.2 were hollow, they could be formed to exert only small mechanical forces on the TEE 4, and therefore the resulting mechanical stresses and thus material fatigue could be minimized.
Darüber hinaus konnten riilenartigen Wärmetauscher 4.1.2 aus Metali direkt an die Oberflächen 4.1 und 4.2 der TEE 4 gelötet werden, wodurch der Kontaktwiderstand weiter erniedrigt werden konnte. Hierdurch eröffneten sich weitere neuartige Möglichkeiten für die Optimierung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen. In addition, metallic heat exchangers 4.1.2 could be soldered directly to the surfaces 4.1 and 4.2 of the TEE 4, whereby the contact resistance could be further reduced. This opens up further new possibilities for the optimization of the devices according to the invention.
Da der Leitungswiderstand RL der Wärmerohre 3.1 und 3.2 praktisch vernachlässigt werden konnte, war man nicht mehr auf die unmittelbare räumliche Nähe von den Quellen der thermischen Energie 2 und TEE 4 einerseits und den wärmeableitetenden Vorrichtungen 5 und TEE 4 andererseits angewiesen, sondern die TEE 4 konnten in den Vorrichtungen 1 an konstruktionstechnisch günstigen Stelien angebracht werden. Somit konnten die TEE 4 ais elektrische Komponenten viei besser von gegebenenfalls in den wärmeableitetenden Vorrichtungen 5 vorhandenen Flüssigkeiten getrennt werden. Dadurch konnte die Sicherheit der Vorrichtungen 1 signifikant erhöht werden. Dies war insbesondere im Faile von elektrisch leitenden Flüssigkeiten wie Wasser wichtig, um eine Erdung der Vorrichtung 1 zu vermeiden. Außerdem vereinfachte sich die Wartung und Reinigung der Flüssigkeitskanäie solcher wärmeabieitetenden Vorrichtungen 5 sowie der damit verbundenen elektrischen Systeme. Weitere Vorteile und neuartige Konstruktionsmöglichkeiten ergeben sich für die Vorrichtungen 1 durch die Verwendung flexibler Wärmerohre 3.1 und 3.2. Insbesondere konnten die Wärmerohre nach ihrer Formgebung noch mit geeigneten Beschichtungsstoffen beschichtet werden. Wegen der hervorragenden Wärmeleitfähigkeit der Wärmerohre 3.1 und 3.2 konnten die Vorrichtungen 1 sehr viel leichter und kleiner und damit preiswerter ausgeführt werden als Vorrichtungen des Standes der Technik mit vergleichbarer thermischer und elektrischer Leistung. Auch die thermische Isolierung der Bauteile der Vorrichtungen 1 sowie der Vorrichtungen 1 insgesamt konnten wegen all dieser Vorteile signifikant vereinfacht werden. Nicht zuletzt konnte durch die Verwendung von hohlen Bauteilen wie den Wärmerohren und 3.1 und 3.2 das Auftreten thermischer Spannungen in der Vorrichtung 1 vermieden werden. Since the line resistance R L of the heat pipes 3.1 and 3.2 could be practically neglected, it was no longer dependent on the immediate spatial proximity of the sources of thermal energy 2 and TEE 4 on the one hand and the heat-dissipating devices 5 and TEE 4 on the other hand, but the TEE could be mounted in the devices 1 to structurally favorable Stelien. Thus, the TEEs 4 as electrical components could be better separated from any liquids present in the heat-dissipating devices 5. As a result, the safety of the devices 1 could be significantly increased. This was particularly important in the case of electrically conductive liquids such as water in order to avoid grounding of the device 1. In addition, the maintenance and cleaning of the fluid channel of such heat dissipating devices 5 as well as the associated electrical systems has been simplified. Further advantages and novel design possibilities arise for the devices 1 through the use of flexible heat pipes 3.1 and 3.2. In particular, the heat pipes could still be coated with suitable coating materials after their shaping. Because of the excellent thermal conductivity of the heat pipes 3.1 and 3.2, the devices 1 could be made much lighter and smaller and thus cheaper than prior art devices with comparable thermal and electrical performance. The thermal insulation of the components of the devices 1 and the devices 1 as a whole could be significantly simplified because of all these advantages. Not least, the use of hollow components such as the heat pipes and 3.1 and 3.2, the occurrence of thermal stresses in the device 1 could be avoided.
Insgesamt brachte die Anwendung von Wärmerohren 3.1 und 3.2 in den Vorrichtungen zahlreiche technische und damit finanzielle Vorteile mit sich, die den höheren Kostenaufwand für die Wärmerohre 3.1 und 3.2 bei weitem kompensierten. Darüber hinaus waren und sind die verschiedensten Größen und Modelle von Wärmerohren 3.1 und 3.2 kommerziell erhältlich, was die Realisierung der Vorrichtungen 1 vereinfacht. Overall, the use of heat pipes 3.1 and 3.2 in the devices brought numerous technical and thus financial benefits that compensated for the higher cost of the heat pipes 3.1 and 3.2 by far. In addition, the various sizes and models of heat pipes 3.1 and 3.2 were and are commercially available, which simplifies the implementation of the devices 1.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung (1) zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie, umfassend mindestens eine Quelle thermischer Energ mindestens ein Wärmerohr (3.1), - mindestens ein thermoelektrisches Element (4) und mindestens eine wärmeableitende Vorrichtung (5), wobei das Wärmerohr (3.1 ) mit seinem einen Ende (3.1.1) in wärmeleitendem Kontakt mit der Quelle thermischer Energie (2) und mit seinem anderen Ende (3.1.2) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Seite (4.1) des thermoelektrischen Elements (4) steht und wobei die der heißen Seite (4.1) gegenüberliegende kalte Seite (4.2) des thermoelektrischen Elements (4) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt (5.1) mit der wärmeableitenden Vorrichtung (5) steht. 1. Device (1) for the direct production of electrical energy from thermal energy, comprising at least one source of thermal energy at least one heat pipe (3.1), - at least one thermoelectric element (4) and at least one heat-dissipating device (5), wherein the heat pipe ( 3.1) with its one end (3.1.1) in thermally conductive contact with the source of thermal energy (2) and with its other end (3.1.2) in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (4.1) of the thermoelectric element (4 ) and wherein the hot side (4.1) opposite cold side (4.2) of the thermoelectric element (4) in electrically insulating, heat-conducting contact (5.1) with the heat-dissipating device (5).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein zweites Wärmerohr (3.2) umfasst, wobei das zweite Wärmerohr (3.2) mit seinem einen Ende (3.2.1) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt mit der der heißen Seite (4.1) gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des thermoelektrischen ElementsDevice (1) according to claim 1, characterized in that at least one second heat pipe (3.2) comprises, wherein the second heat pipe (3.2) with its one end (3.2.1) in electrically insulating, thermally conductive contact with the hot side (4.1 ) opposite cold side (4.2) of the thermoelectric element
(4) und mit seinem anderen Ende (3.2.(4) and with its other end (3.2.
2) in wärmeleitendem Kontakt mit der Wärme ableitenden Vorrichtung (5) steht, so dass der Kontakt (5.1) bewerkstelligt ist. 2) is in heat-conducting contact with the heat dissipating device (5), so that the contact (5.1) is accomplished.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Quellen thermischer Energie (2) Flachkollektoren, Vakuumrohrenko!lektoren, photovoltaische Zellen, Solarzellen, Heizkörper, Bestandteile von Öfen Fußbodenheizungen, Stromwandler, die Unterseite von Automobilen, Motorblöcke, Auspuffanlagen, Rauchrohre, Abgaskamine, Behälter mit Materialien, die bei Phasenumwandlungen thermische Energie liefern, elektrische Widerstände, Warmwassertaschen, Biogasanlagen, menschliche und tierische Körper oder3. Device (1) according to claim 1 or 2, characterized in that the sources of thermal energy (2) flat plate collectors, Vakuumrohrenko! Lectors, photovoltaic cells, solar cells, radiators, components of ovens underfloor heating, current transformers, underside of automobiles, engine blocks, exhausts, flue pipes, flue gas stacks, containers with materials that provide thermal energy during phase transformations, electrical resistors, hot water bags, biogas plants, human and animal bodies or
Sonnenkonzentratoren sind. Solar concentrators are.
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (3.1.2) des Wärmerohrs (3.1) über eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontaktvorrichtung (4.1.1) mit der heißen Seite (4.1) des thermoefektrischen Elements (4) in Kontakt steht. 4. Device (1) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the end (3.1.2) of the heat pipe (3.1) via an electrically insulating, heat-conducting contact device (4.1.1) with the hot side (4.1) of thermoelectric element (4) is in contact.
5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich der Kontaktvorrichtung (4.1.1) auf der Oberfläche der heißen Seite (4.1) oder der Kontaktvorrichtung (4.1.1) selbst eine strukturierte Oberfläche (4.1.2) befindet, die mit dem Inneren des Wärmerohrs (3.1 ) und dessen arbeitender Flüssigkeit in direktem Kontakt steht. 5. Device (1) according to claim 4, characterized in that in the region of the contact device (4.1.1) on the surface of the hot side (4.1) or the contact device (4.1.1) itself a structured surface (4.1.2) located in direct contact with the interior of the heat pipe (3.1) and its working fluid.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (3,1.2) des Wärmerohrs (3.1) über eine Kontaktvorrichtung (4.1.1) mit der heißen Seite mindestens zweier thermoelektrischer Elemente (4) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt steht. 6. Device (1) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the end (3,1.2) of the heat pipe (3.1) via a contact device (4.1.1) with the hot side of at least two thermoelectric elements (4) in electrically insulating, thermally conductive contact is.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei thermoelektrische Elemente (4) zu einer Thermosäule zusammengefügt sind. 7. Device (1) according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least two thermoelectric elements (4) are joined together to form a thermopile.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeableitenden Vorrichtungen (5) anorganische und organische Gase, anorganische und organische Flüssigkesten, anorganische und organische sublimierbare Festkörper, Kühlrippen, Wärmetauscher, Rohrkühlkörper, Motoren, Turbinen, Vorrichtungen zur Durchführung des Rankine-Zyklus, Hitze abstrahlende Radiatoren und große Flächenheizungen sind. 8. Device (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heat-dissipating devices (5) inorganic and organic gases, inorganic and organic Flüssigkesten, inorganic and organic sublimable solids, cooling fins, heat exchangers, tube heat sinks, motors, turbines, Devices for performing the Rankine cycle, heat radiating radiators and large surface heating are.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganischen und organischen Gase Luft, Stickstoff, Sauerstoff, Edelgase, Kohlendioxid, gasförmiges Ammoniak, Schwefelhexafluorid, Kohlenwasserstoffe, fluorierte, chlorierte und/oder bromierte Kohlenwasserstoffe oder Amine; die anorganischen und organischen Flüssigkeiten, Wasser, Salzlösungen, Saizschmelzen, ionische Flüssigketten, flüssiges Ammoniak, flüssige Metalle und Metallegierungen, flüssige Kohlenwasserstoffe oder flüssige fluorierte, chlorierte und/oder bromierte Kohlenwasserstoffe und die anorganischen und organischen sublimierbaren Festkörper Sublimat, festes Kohlendioxid, p-Dichlorbenzol, Naphthalin oder Campher sind; und dass die Bestandteile von Öfen Feuerräume, Stahlelemente, Natursteine, Schamottstetne, Ofendächer, Hypokaustenzüge, Ofenkacheln oder Rauchabzüge sind. 9. Device (1) according to one of claims 3 to 8, characterized in that the inorganic and organic gases include air, nitrogen, oxygen, noble gases, Carbon dioxide, gaseous ammonia, sulfur hexafluoride, hydrocarbons, fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons or amines; the inorganic and organic liquids, water, salt solutions, Saizschmelzen, ionic liquid chains, liquid ammonia, liquid metals and metal alloys, liquid hydrocarbons or liquid fluorinated, chlorinated and / or brominated hydrocarbons and the inorganic and organic sublimable solids sublimate, solid carbon dioxide, p-dichlorobenzene , Naphthalene or camphor; and that the components of furnaces are fire chambers, steel elements, natural stones, firebricks, furnace roofs, hypocausal pulls, oven tiles or smoke vents.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (3.2.1) des Wärmerohrs (3.2) über eine elektrisch isolierende, wärmeleitende Kontaktvorrichtung (4.2.1) mit der kalten Seite (4.2) des thermoelektrischen Elements in Kontakt steht, Device (1) according to one of claims 2 to 9, characterized in that the end (3.2.1) of the heat pipe (3.2) via an electrically insulating, heat-conducting contact device (4.2.1) with the cold side (4.2) of the thermoelectric element is in contact,
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich auf der Oberfläche der kalten Seite (4.2) oder der Kontaktvorrichtung (4.2.1) eine strukturierte Oberfläche (4.2.2) befindet, die mit dem Inneren des Wärmerohrs (3.2) und dessen arbeitender Flüssigkeit in direktem Kontakt steht. Device (1) according to claim 10, characterized in that on the surface of the cold side (4.2) or the contact device (4.2.1) is a structured surface (4.2.2), with the interior of the heat pipe (3.2) and whose working fluid is in direct contact.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ende (3.2.1) des Wärmerohrs (3.2) über eine Kontaktvorrichtung (4.1.1) mit der kalten Seite mindestens zweier thermoelektrischer Elemente (4) in elektrisch isolierendem, wärmeleitendem Kontakt steht. Device (1) according to one of claims 2 to 11, characterized in that the end (3.2.1) of the heat pipe (3.2) via a contact device (4.1.1) with the cold side of at least two thermoelectric elements (4) in electrically insulating , thermally conductive contact stands.
Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei thermoelektrische Elemente (4) zu einer Thermosäule zusammengefügt sind. Device (1) according to one of claims 2 to 12, characterized in that at least two thermoelectric elements (4) are joined together to form a thermopile.
Verfahren zur direkten Erzeugung von elektrischer Energie aus thermischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die von mindestens einer Quelle der thermischen Energie (2) gelieferte thermische Energie mithilfe mindestens eines Wärmerohrs (3.1 ) zu der heißen Seite (4.1) mindestens eines thermoelektrischen Elements (4) transportiert wird, durch die zugeführte thermische Energie in dem mindestens einen thermoelektrischen Element (4) eine elektrische Spannung erzeugt wird und die restliche zugeführte thermische Energie von der der heißen Seite gegenüberliegenden kalten Seite (4.2) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (4) über einen elektrisch isolierenden, wärmeleitenden Kontakt (5.1) Vorrichtung (5) zugeführt wird. Method for the direct production of electrical energy from thermal energy, characterized in that the thermal energy delivered by at least one source of thermal energy (2) is conveyed to the hot side (4.1) of at least one thermoelectric element (4) by means of at least one heat pipe (3.1). is transported, by the supplied thermal energy in the at least one thermoelectric element (4) an electrical voltage is generated and the remaining applied thermal energy from the hot side opposite cold side (4.2) of the at least one thermoelectric element (4) via an electrically insulating, thermally conductive contact (5.1) device (5) is supplied.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet wird. A method according to claim 13, characterized in that a device (1) according to one of claims 1 to 13 is used.
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