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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul, umfassend
in einer ersten Lage angeordnete elektrische Leitelemente, in einer
zweiten, zur ersten Lage beabstandeten Lage angeordnete elektrische
Leitelemente, eine zwischen der ersten Lage und der zweiten Lage
angeordnete Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen, eine erste
Isolierschicht, mittels welcher die in der ersten Lage angeordneten
elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmequelle
elektrisch isolierbar sind, eine zweite Isolierschicht, mittels
welcher die in der zweiten Lage angeordneten elektrischen Leitelemente
relativ zu einer Wärmesenke elektrisch isolierbar sind,
eine erste Anlagefläche zur Anlage an eine wärmeabgebende Oberfläche
und eine zweite Anlagefläche zur Anlage an eine wärmeaufnehmende
Oberfläche.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen thermoelektrischen Generator mit
mindestens einem thermoelektrischen Modul der eingangs genannten
Art, wobei mittels der ersten Isolierschicht die in der ersten Lage
angeordneten elektrischen Leitelemente relativ zu einer Wärmequelle
elektrisch isoliert sind, wobei mittels der zweiten Isolierschicht
die in der zweiten Lage angeordneten elektrischen Leitelemente relativ zu
einer Wärmesenke elektrisch isoliert sind, wobei die erste
Anlagefläche an einer wärmeabgebenden Oberfläche
anliegt und wobei die zweite Anlagefläche an einer wärmeaufnehmenden
Oberfläche anliegt.
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Ein
solcher thermoelektrischer Generator und ein eingangs genanntes
thermoelektrisches Modul sind in der
US
6,028,623 offenbart.
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Mit
einem thermoelektrischen Generator kann eine elektrische Leistung
erzeugt werden, indem Wärme aus einer Wärmequelle über
die thermoelektrischen Elemente eines thermoelektrischen Moduls
einer Wärmesenke zugeführt wird. Die an elektrischen
Anschlüssen eines thermoelektrischen Moduls eines Generators
abgreifbare Spannung ist u. a. abhängig von den für
die thermoelektrischen Elemente verwendeten Materialien und von
der über den thermoelektrischen Elementen anliegenden Temperaturdifferenz.
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Üblicherweise
werden jeweils zwei thermoelektrische Elemente eines Moduls zu einem
Paar zusammengefasst. Ein erstes thermoelektrisches Element eines
solchen Paars weist ein positiv dotiertes Material auf, ein zweites
thermoelektrisches Element eines solchen Paars weist ein negativ
dotiertes Material auf. Eine an einem Paar thermoelektrischer Elemente
abgreifbare Spannung ist relativ klein. Daher wird üblicherweise
eine Mehrzahl von Paaren miteinander in Serie geschaltet, um die über
diesen Paaren abgreifbare Spannung zu erhöhen. Unterschiedliche Paare
thermoelektrischer Elemente und/oder unterschiedliche Gruppen mit
miteinander in Serie geschalteten Paaren können zur Einstellung
einer Strom-Spannungs-Charakteristik eines thermoelektrischen Moduls
oder mehrerer thermoelektrischer Module auch parallel geschaltet
werden.
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Zur
elektrischen Verbindung der thermoelektrischen Elemente weist ein
thermoelektrisches Modul elektrische Leitelemente auf, welche in
zueinander beabstandeten Lagen angeordnet sind.
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Um
einen Wärmestrom durch einen thermoelektrischen Generator
zu leiten, wird ein guter Wärmekontakt des thermoelektrischen
Moduls zu der Wärmequelle und/oder zu der Wärmesenke
angestrebt. Andererseits muss ein elektrischer Kontakt zwischen
den elektrischen Leitelementen einer Lage des thermoelektrischen
Moduls und der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke
vermieden werden. Daher werden Isolierschichten verwendet, welche
eine gute Wärmeleitung von der Wärmequelle hin
zu der ersten Lage und/oder von der zweiten Lage hin zu der Wärmesenke
ermöglichen, hierbei jedoch die elektrischen Leitelemente
relativ zu der Wärmequelle bzw. zu der Wärmesenke
elektrisch isolieren.
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Thermoelektrische
Generatoren haben den Vorteil, dass sie verschleißfrei
arbeiten, da sie keine bewegten Bauteile aufweisen. Nachteilig ist
jedoch, dass die thermoelektrischen Generatoren einen vergleichsweise
niedrigen Wirkungsgrad aufweisen und dass für einen guten
Wärmekontakt der einzelnen Lagen bzw. Schichten des thermoelektrischen
Generators Raum greifende und schwere Vorrichtungen erforderlich
sind, welche die einzelnen Lagen bzw. Schichten gegeneinander verspannen.
Erschwerend kommt hinzu, dass sich ein thermoelektrischer Generator
während des Betriebs in Abhängigkeit von der anliegenden
Temperaturdifferenz ausdehnt. Die Vorrichtungen, mit denen die einzelnen
Lagen bzw. Schichten des thermoelektrischen Generators miteinander
verspannt werden, müssen also eine Kompensation dieser
thermisch bedingten Ausdehnungen erlauben.
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Hiervon
ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein thermoelektrisches Modul und einen thermoelektrischen Generator
der ein gangs genannten Art zu schaffen, welche einen guten Wirkungsgrad
und eine einfache Kompensation thermisch bedingter Ausdehnungen
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen Modul und bei einem thermoelektrischen
Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
die erste Anlagefläche und die zweite Anlagefläche
zueinander winklig sind.
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Die
Anlageflächen des erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Moduls sind nicht – wie aus dem Stand der Technik bekannt – zueinander
parallel, sondern zueinander winklig. Auf diese Weise kann ein keilförmiges
thermoelektrisches Modul bereitgestellt werden. Ein solches Modul
lässt sich in einfacher Weise formschlüssig in
den Aufbau eines thermoelektrischen Generators integrieren und gleichzeitig
mit einer hohen Spannkraft beaufschlagen, um den Wärmekontakt
zwischen der ersten Anlagefläche des Moduls und einer wärmeabgebenden
Oberfläche des thermoelektrischen Generators und um den
Wärmekontakt zwischen der zweiten Anlagefläche
des Moduls und einer wärmeaufnehmenden Oberfläche
des thermoelektrischen Generators verbessern. Bedingt durch die
Keilform des Moduls ist es möglich, dass sich das Modul
zur Kompensation von thermisch bedingten Wärmeausdehnungen
relativ zu der wärmeabgebenden und/oder der wärmeaufnehmenden
Oberfläche verschiebt, indem eine dieser Oberfläche
zugeordnete Anlagefläche des Moduls auf dieser Oberfläche
abgleitet.
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Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn sich die erste Anlagefläche in
einer geraden Ebene erstreckt. Dies ermöglicht eine einfache
Herstellung des thermoelektrischen Moduls und einen guten Wärmekontakt
zu einer sich in einer geraden Ebene erstreckenden wärmeabgebenden
Oberfläche des Generators.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die erste Anlagefläche und/oder
die zweite Anlagefläche rechteckförmig, insbesondere
quadratisch ist oder sind. Auf diese Weise kann ein thermoelektrisches
Modul in einfacher Weise und Platz sparend in einen thermoelektrischen
Generator integriert werden.
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Bevorzugt
ist es ferner, wenn die zweite Anlagefläche sich in einer
geraden Ebene erstreckt. Dies ermöglicht eine einfache
Herstellung des thermoelektrischen Moduls und einen guten Wärmekontakt
zu einer sich einer geraden Ebene erstreckenden wärmeaufnehmenden
Oberfläche des Generators.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Winkel zwischen der ersten Anlagefläche
und der zweiten Anlagefläche mindestens 0,5° einschließlich,
insbesondere mindestens 1° einschließlich beträgt.
Auf diese Weise kann eine auf das thermoelektrische Modul ausgeübte
Spannkraft fast vollständig genutzt werden, um das Modul
mit anliegenden Teilen des Generators zu verspannen.
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Bevorzugt
ist es ferner, wenn der Winkel zwischen der ersten Anlagefläche
und der zweiten Anlagefläche höchstens 10° einschließlich,
insbesondere höchstens 5° einschließlich
beträgt. Mit der Vergrößerung des Winkels
zwischen den Anlageflächen geht eine Vergrößerung
des Bauraums einher, der aufgrund des seitlichen Ausweichens des
thermoelektrischen Moduls in hierzu senkrechter Richtung eingespart
werden kann.
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In
vorteilhafter Weise beträgt die Rautiefe Rz der
ersten Anlagefläche und/oder der zweiten Anlagefläche
maximal 12 μm. Mit einer solchen Rautiefe wird ein Abgleiten
der Anlageflächen des thermoelektrischen Moduls auf oder
an wär meabgebenden bzw. wärmeaufnehmenden Oberflächen
eines thermoelektrischen Generators erleichtert.
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Nach
einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist
die erste Isolierschicht über das Modul verteilt eine variierende
Schichtdicke auf. Auf diese Weise ist es möglich, zueinander
winklige Anlageflächen zu erzeugen, ohne dabei die Höhe
beispielsweise der thermoelektrischen Elemente variieren zu müssen.
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In
entsprechender Weise ist es vorteilhaft, wenn die zweite Isolierschicht über
das Modul verteilt eine variierende Schichtdicke aufweist. Auch
dies ermöglicht eine einfache Herstellung von zueinander winklig
stehenden Anlageflächen.
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Nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weisen die
thermoelektrischen Elemente über das Modul verteilt unterschiedliche
Höhen auf. Auf diese Weise können zueinander winklige
Anlageflächen erzeugt werden, ohne dabei die Schichtstärke
beispielsweise der Isolierschichten variieren zu müssen.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung
weisen die in der ersten Lage angeordneten elektrischen Leitelemente über das
Modul verteilt und/oder die in der zweiten Lage angeordneten elektrischen
Leitelemente über das Modul verteilt unterschiedliche Höhen
auf. Auch hierdurch ist es möglich, ein thermoelektrisches
Modul mit zueinander winkligen Anlageflächen herzustellen.
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Bei
den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
thermoelektrischen Moduls können die Anlageflächen
des Moduls jeweils durch eine Außenfläche der
ersten Isolierschicht und durch eine Außenfläche
de zweiten Isolierschicht gebildet werden. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung ist es jedoch möglich, dass das thermoelektrische
Modul mindestens eine Zusatzschicht aufweist, welche an eine Außenfläche der
ersten Isolierschicht und/oder an eine Außenfläche
der zweiten Isolierschicht angrenzend angeordnet ist. Eine solche
Zusatzschicht bildet dann eine Anlagefläche zur Anlage
an einer wärmeabgebenden Oberfläche oder einer
wärmeaufnehmenden Oberfläche des Generators.
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In
vorteilhafter Weise ist die mindestens eine Zusatzschicht eine Temperaturausgleichsschicht. Beispielsweise
kann die Zusatzschicht aus einem hoch wärmeleitfähigen
Material, insbesondere Kupfer, hergestellt sein, um eine über
das Modul verteilt anliegende Temperatur zu vergleichmäßigen.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die mindestens eine Zusatzschicht über
das Modul verteilt eine variierende Schichtdicke auf. Auf diese
Weise ist es möglich, ein thermoelektrisches Modul mit
zueinander parallelen Isolierschichtaußenflächen
zu verwenden und mit Hilfe der Zusatzschicht zueinander winklige
Anlageflächen herzustellen.
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Nach
einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Generators beträgt die Rautiefe Rz der
wärmeabgebenden Oberfläche und/oder der wärmeaufnehmenden
Oberfläche des Generators maximal 12 μm. Auf diese
Weise kann ein Abgleiten des thermoelektrischen Moduls an der wärmeab gebenden
Oberfläche und/oder an der wärmeaufnehmenden Oberfläche
unterstützt werden.
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Bevorzugt
ist es, wenn die Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal
zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid
umfasst. Dies ermöglicht eine effiziente Übertragung
der Wärme eines Fluids auf die Wärmequelle des
Generators.
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In
entsprechender Weise ist es vorteilhaft, wenn die Wärmesenke
mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung
mit einem wärmeaufnehmenden Fluid umfasst.
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Bei
einem vorstehend beschriebenen thermoelektrischen Generator kann
die wärmeabgebende Oberfläche beispielsweise durch
eine äußere Wandfläche einer Strömungskanalbegrenzung
der Wärmequelle gebildet sein. In entsprechender Weise kann
die wärmeaufnehmende Oberfläche durch eine äußere
Wandfläche einer Strömungskanalbegrenzung der
Wärmesenke gebildet sein.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der thermoelektrische
Generator mindestens ein Zusatzelement, welches zwischen der Wärmequelle
und der ersten Anlagefläche angeordnet ist oder zwischen
der Wärmesenke und der zweiten Anlagefläche. In
diesem Fall bildet das Zusatzelement eine wärmeaufnehmende
oder eine wärmeabgebende Oberfläche, die mit einer
der Anlageflächen des thermoelektrischen Moduls zusammenwirkt.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Zusatzelement einander
abgewandte Außenflächen aufweist, welche zueinander
winklig sind. Auf diese Weise ist es möglich, ein vorstehend beschriebenes
thermoelektrisches Modul, welches eine erfindungsgemäße
Keilform aufweist, in einfacher Weise in einen thermoelektrischen
Generator zu integrieren. Hierbei kann das Zusatzelement sowohl als
Wärmeübertragungselement als auch als Kraftübertragungselement
genutzt werden.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn der Winkel zwischen den Außenflächen
des Zusatzelements gleich dem Winkel zwischen den Anlageflächen
des thermoelektrischen Moduls ist. Dies ermöglicht es, Wärmequellen
und Wärmesenken mit dem Modul jeweils zugewandten, zueinander
parallelen Oberflächen zu verwenden.
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Bevorzugt
ist es, wenn das mindestens eine Zusatzelement ein Temperaturausgleichselement
ist. Ein solches Zusatzelement kann beispielsweise aus einem Metall
mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise
Kupfer, hergestellt sein. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Zusatzelements
eine über das Modul verteilt anliegende Temperatur vergleichmäßigt werden.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst
der thermoelektrische Generator eine Modul-Abstützeinrichtung
zur Abstützung des mindestens einen thermoelektrischen
Moduls, wobei die Modul-Abstützeinrichtung mindestens eine Modul-Abstützfläche
umfasst, welche sich quer zu mindestens einer der Anlageflächen
des mindestens einen thermoelektrischen Moduls erstreckt. Die Modul-Abstützeinrichtung
ermöglicht es, ein Gegenlager zu schaffen, an dem sich
das thermoelektrische Modul abstützen und von diesem Ge genlager
ausgehend in einer Richtung quer zu einer Kraftbeaufschlagungsrichtung
ausweichen kann.
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Ferner
ist es vorteilhaft, wenn der thermoelektrische Generator eine Oberflächen-Abstützeinrichtung
zur Abstützung der wärmeabgebenden Oberfläche
oder der wärmeaufnehmenden Oberfläche umfasst,
wobei die Oberflächen-Abstützeinrichtung mindestens
eine Oberflächen-Abstützfläche umfasst,
welche sich quer zu der wärmeabgebenden Oberfläche
oder zu der wärmeaufnehmenden Oberfläche erstreckt.
Auf diese Weise ist es möglich, ein Gegenlager für
eine nicht ortsfeste wärmeabgebende oder wärmeaufnehmende
Oberfläche zu schaffen, was insbesondere bei der Verwendung
eines vorstehend beschriebenen Zusatzelements vorteilhaft ist.
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Vorzugsweise
umfasst der thermoelektrische Generator mindestens eine Verbindungseinrichtung zur
Verbindung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls, der Wärmequelle
und der Wärmesenke. Mit Hilfe einer solchen Verbindungseinrichtung kann
insbesondere eine quer zu mindestens einer der Anlageflächen
gerichtete Spannkraft erzeugt werden. Diese Spannkraft bewirkt,
dass die einzelnen Schichten des thermoelektrischen Generators aufeinander
gedrückt werden, so dass der Wärmeübergang
zwischen den einzelnen Schichten, also insbesondere zwischen der
Wärmequelle und dem thermoelektrischen Modul sowie zwischen
dem thermoelektrischen Modul und der Wärmesenke verbessert wird.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn der thermoelektrische Generator mindestens
eine Ausgleichseinrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Maßänderungen
des Generators umfasst. Eine solche Ausgleichseinrichtung kann insbesondere durch
ein Federelement gebildet sein, welches unter Vorspannung steht
und auf diese Weise eine Spannkraft ausüben kann.
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Besonders
bevorzugt ist es, wenn die Wärmequelle durch ein Abgassystem
einer diskontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet ist,
insbesondere durch ein Abgassystem eines Kraftfahrzeugs. Eine solche
Wärmequelle kann beispielsweise einen Wärmeübertrager
umfassen, in welchem das heiße Abgas eines Verbrennungsmotors
geführt ist. Dieser Wärmeübertrager überträgt
die Wärme des Abgases hin zu der mindestens einen Isolierschicht
des thermoelektrischen Moduls, welches eine elektrische Spannung
bereitstellt. Dies hat den Vorteil, dass die sonst ungenutzte Abwärme
eines Kraftfahrzeugs genutzt werden kann, um elektrische Energie
zu erzeugen. Somit kann der Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugs
erhöht werden.
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Ferner
ist es bevorzugt, wenn die Wärmequelle durch ein Abgassystem
einer kontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet
ist, insbesondere durch eine Abwärmeeinheit (beispielsweise
einer Brennkammer) eines Kraftwerks. Hierdurch kann der Gesamtwirkungsgrad
eines Kraftwerks erhöht werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden
Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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In
den Zeichnungen zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines
thermoelektrischen Generators;
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2:
eine geschnittene Ansicht des thermoelektrischen Generators aus 1;
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3:
eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines schematisch
dargestellten thermoelektrischen Moduls und eines Zusatzelements;
und
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4:
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines
thermoelektrischen Moduls.
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Gleiche
oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren
mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
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Eine
Ausführungsform eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten
thermoelektrischen Generators ist in der 1 dargestellt.
Der Generator 10 erstreckt sich entlang einer Generatorachse 12 von
einem Strömungseingang 14 bis hin zu einem Strömungsausgang 16.
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Der
Generator 10 wird während seines Betriebs von
einem heißen Fluid, beispielsweise dem Abgas eines Verbrennungsmotors
eines Kraftfahrzeugs, in einer Durchströmungsrichtung 18 vom Strömungseingang 14 hin
zu dem Strömungsausgang 16 durchströmt.
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Der
Generator 10 umfasst einen Fluid-Verteiler 20,
welcher sich von dem Strömungseingang 14 bis hin
zu einem zentralen Generatorteil 22 erstreckt.
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Der
Generator 10 umfasst ferner einen Fluid-Sammler 24,
welcher sich von dem zentralen Generatorteil 22 bis hin
zu dem Strömungsausgang 16 erstreckt.
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Der
zentrale Generatorteil 22 weist ein mehrteiliges Gehäuse 26 auf.
Das Gehäuse 26 umfasst ein Gehäuseoberteil 28 und
ein Gehäuseunterteil 30. Die Gehäuseteile 28 und 30 sind
mit Hilfe von als Schrauben ausgebildeten Verbindungselementen 32 miteinander
verbunden.
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Der
Generatorteil 22 weist zwei unterschiedlichen Wärmesenken
des Generators 10 zugeordnete Kühlfluideingänge 34 und
Kühlfluidausgänge 36 auf.
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Der
Generator 10 umfasst ferner eine sich zwischen dem Fluid-Verteiler 20 und
dem Fluid-Sammler 24 erstreckende Wärmequelle 38.
Die Wärmequelle 38 ist über eine Flanschverbindung 40 mit
dem Fluid-Verteiler 20 verbunden. Die Wärmequelle 38 ist
ferner über eine Flanschverbindung 42 mit dem
Fluid-Sammler 24 verbunden.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 2 begrenzt das Gehäuse 26 des
Generatorteils 22 einen Generatorraum 44. Der
Generatorraum 44 ist im Querschnitt rechteckförmig.
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In
dem Generatorraum 44 ist die Wärmequelle 38 angeordnet,
welche sich entlang der Generatorachse 12 (vgl. 1)
erstreckt.
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Die
Wärmequelle 38 weist einen Strömungskanal 46 auf,
der mit dem Fluid-Verteiler 20 sowie mit dem Fluid-Sammler 24 in
Fluidverbindung steht. Der Strömungskanal 46 ist
im Querschnitt rechteckförmig. Der Strömungskanal 46 ist
begrenzt durch eine bodenseitige Strömungskanalbegrenzung 48 sowie eine
hierzu parallele, deckenseitige Strömungskanalbegrenzung 50.
Der Strömungskanal 46 ist ferner begrenzt durch
zwei seitliche Strömungskanalbegrenzungen 52.
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In
dem Strömungskanal 46 sind mehrere, zueinander
parallele und sich entlang der Generatorachse 12 erstreckende
Rippenelemente 54 vorgesehen, welche von der bodenseitigen
Strömungskanalbegrenzung 48 in den Strömungskanal 46 hineinragen.
Ferner sind mehrere, zueinander parallele und sich entlang der Generatorachse 12 erstreckende
Rippenelemente 56 vorgesehen, welche von der deckenseitigen
Strömungskanalbegrenzung in den Strömungskanal 46 hineinragen.
Die Rippenelemente 54 und 56 sind zueinander versetzt
angeordnet.
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Der
Generator 10 weist eine erste Wärmesenke 58 auf,
welche sich parallel zu der Generatorachse 12 erstreckt.
Ferner weist der Generator 10 eine zweite Wärmesenke 60 auf,
welche sich ebenfalls parallel zu der Generatorachse 12 erstreckt.
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Die
Wärmesenken 58 und 60 sind auf einander
gegenüberliegenden Seiten der Wärmequelle 38 angeordnet.
Die Wärmesenken 58 und 60 sind durch einen
jeweils zugeordneten Kühlfluideingang 34 mit Kühlfluid
gespeist. Das Kühlfluid durchströmt die Wärmesenken 58, 60 und
wird über die Kühlfluidausgänge 36 aus
den Wärmesenken 58, 60 abgeführt (vgl. 1).
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Die
Wärmesenken 58, 60 weisen jeweils eine
bodenseitige Strömungskanalbegrenzung 62 und eine
hierzu gegenüberliegend angeordnete deckenseitige Strömungskanalbegrenzung 64 auf.
Ferner weisen die Wärmesenken 58 und 60 zwei
seitliche Strömungskanalbegrenzungen 66 auf.
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Die
Wärmesenken 58 und 60 umfassen mehrere,
sich parallel zu der Generatorachse 12 erstreckende Rippenelemente 68,
welche eine Höhe aufweisen, die dem Abstand zwischen den
Strömungskanalbegrenzungen 62 und 64 entspricht.
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Mit
Hilfe der Rippenelemente 68 sowie mit Hilfe der Strömungskanalbegrenzungen 62 und 64 wird
eine Vielzahl von zueinander parallelen Strömungskammern 70, 72 gebildet.
Die Strömungskammern 70, 72 bilden gemeinsam
einen im Querschnitt insgesamt rechteckförmigen Strömungskanal 74.
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Der
Generator 10 umfasst mehrere, keilförmige thermoelektrische
Module 76, welche jeweils zwischen der Wärmequelle 38 und
einer der Wärmesenken 58, 60 angeordnet
sind. Jedes thermoelektrische Modul 76 wirkt mit einem
keilförmigen Zusatzelement 78 zusammen, welches
zwischen einem thermoelektrischen Modul 76 und der Wärmequelle 38 angeordnet
ist.
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Der
Generator 10 weist mindestens eine Modul-Abstützeinrichtung 80 auf,
welche zur Positionierung mindestens eines thermoelektrischen Moduls 76 dient.
Die in 2 dargestellten Modul-Abstützeinrichtungen 80 sind
in Form eines Stegs ausgebildet und erstrecken sich von der Wärmequelle 38 in Richtung
auf eine benachbarte Wärmesenke 58 bzw. 60.
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Die
Modul-Abstützeinrichtungen 80 weisen zwei auf
einander gegenüberliegenden Seiten angeordnete Modul-Abstützflächen 82, 84 auf.
Mit jeder Abstützfläche 82, 84 wird
ein Anschlag für ein dickeres Ende eines keilförmigen
thermoelektrischen Moduls 76 gebildet.
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Der
Generator 10 umfasst ferner eine Mehrzahl von Oberflächen-Abstützeinrichtungen 86.
Diese werden durch sich einstückig an die seitlichen Strömungskanalbegrenzungen 52 der
Wärmequelle 38 anschließende Stege gebildet.
Die Oberflächen-Abstützeinrichtungen 86 weisen
sich parallel zu den Modul-Abstützflächen 82, 84 erstreckende
Oberflächen-Abstützflächen 88 auf.
Die Oberflächen-Abstützflächen 88 dienen
jeweils zur Abstützung des dickeren Endes eines keilförmigen
Zusatzelements 78.
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Der
Generator 10 weist zwei thermische Isolierungen 90 auf,
welche jeweils angrenzend zu den seitlichen Strömungskanalbegrenzungen 52 der Wärmequelle 38 angeordnet
sind.
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In
dem Generatorraum 44 des Generators 10 ist eine
insgesamt mit 92 bezeichnete Ausgleichseinrichtung angeordnet,
mittels welcher thermisch bedingte Maßänderungen
des Generators 10 kompensiert werden können. Die
Ausgleichseinrichtung 92 umfasst eine Mehrzahl von Federelementen,
insbesondere Tellerfedern 94. Jede Tellerfeder 94 stützt sich
an einem Ende an einer Innenseite des Gehäuses 26 und
mit einem gegenüberliegenden Ende an einer Strömungskanalbegrenzung 62, 66 einer
Wärmesenke 58, 60 ab. Die Wärmesenken 58, 60 weisen jeweils
der Innenseite des Gehäuses 26 zugewandte Zentrierabschnitte 96 auf.
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Das
Gehäuse 26 und die Ausgleichseinrichtung 92 bilden
gemeinsam eine Verbindungseinrichtung (ohne Bezugszeichen) zur Verbindung
der Wärmequelle 38, der thermoelektrischen Module 76 und der
Wärmesenken 58, 60.
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Die
Federelemente 94 stehen unter Vorspannung, so dass sie
mit 98 bezeichnete Spannkräfte auf die Wärmesenken 58, 60 ausüben.
Auf diese Weise werden die Wärmequelle 38, die
thermoelektrischen Module 76, die Zusatzelemente 78 und die
Wärmesenken 58, 60 aufeinander gedrückt,
so dass ein guter Wärmeübergang zwischen diesen Elementen
ermöglicht wird.
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In 3 sind
ein thermoelektrisches Modul 76 und ein Zusatzelement 78 zur
Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator 10 dargestellt. Das
thermoelektrische Modul 76 weist eine erste Anlagefläche 100 auf, über
welche das thermoelektrische Modul 76 einen Wärmestrom
aufnehmen kann.
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Das
Modul 76 weist ferner eine zweite Anlagefläche 102 auf,
mittels welcher ein Wärmestrom aus dem Modul 76 abgeleitet
werden kann.
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Die
Anlageflächen 100 und 102 sind relativ zueinander
geneigt, so dass das Modul 76 eine Keilform hat. Das Modul 76 erstreckt
sich von einem dünneren Ende 104 hin zu einem
dickeren Ende 106. An dem dünneren Ende 104 ist
eine niedrigere Seitenfläche 108 vorgesehen; an
dem dickeren Ende 106 ist eine höhere Seitenfläche 110 vorgesehen.
Eine Höhe 112 der Seitenfläche 108 kann
beispielsweise 5 mm betragen. Eine Höhe 114 der
Seitenfläche 110 kann beispielsweise 7 mm betragen.
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Die
Anlageflächen 100 und 102 sind zueinander
winklig. Ein Winkel 116 zwischen den Anlageflächen 100 und 102 beträgt
vorzugsweise zwischen 0,5° und 5°, insbesondere
zwischen 1° und 2°.
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Das
Zusatzelement 78 ist aus einem hochwärmeleitfähigen
Material, beispielsweise Kupfer, hergestellt. Das Zusatzelement 78 weist
eine Keilform auf. Es weist zwei einander gegenüberliegende, zueinander
winklige Außenflächen 118, 120 auf.
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Das
Zusatzelement 78 erstreckt sich von einem dünneren
Ende 122 bis zu einem dickeren Ende 124. An dem
dünneren Ende 122 ist eine niedrigere Seitenfläche 126 vorgesehen;
an dem dickeren Ende 124 ist eine höhere Seitenfläche 128 vorgesehen.
Ein Maß 130 der niedrigeren Seitenfläche 126 kann
beispielsweise 6 mm betragen; ein Maß 132 der
höheren Seitenfläche 128 kann beispielsweise
8 mm betragen.
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Die
Außenflächen 118 und 120 schließen miteinander
einen Winkel 134 ein. Der Winkel 134 beträgt
vorzugsweise zwischen 0,5° und 5°, insbesondere
zwischen 1° und 2°. Insbesondere ist der Winkel 134 gleich
dem Winkel 116, den die Anlageflächen 100, 102 des
Moduls 76 miteinander einschließen.
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Ein
Abstand 135 zwischen den Seitenflächen 126, 128 kann
insbesondere zwischen 50 mm und 100 mm betragen. Die Seitenflächen 108, 110 des
Moduls 76 können ebenfalls insbesondere zwischen
50 mm und 100 mm zueinander beabstandet sein.
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Der
detaillierte Aufbau des thermoelektrischen Moduls 76 wird
nachstehend unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
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Das
Modul 76 weist in einer ersten Lage 136 angeordnete
elektrische Leitelemente 138 auf. Zu der ersten Lage 138 beabstandet
ist eine zweite Lage 140 angeordnet, welche elektrische
Leitelemente 142 umfasst.
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Zwischen
den Lagen 136 und 140 sind schenkelförmige
thermoelektrische Elemente 146 angeordnet. Die thermoelektrischen
Elemente 146 sind mittels der elektrischen Leitelemente 142 und 144 miteinander
in Reihe geschaltet.
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Um
die elektrischen Leitelemente 138 der ersten Lage 136 relativ
zu einer Wärmequelle 38 elektrisch zu isolieren,
weist das Modul 76 eine erste Isolierschicht 148 auf.
Die erste Isolierschicht 148 kann beispielsweise aus einem
keramischen Material hergestellt sein. Die erste Isolierschicht 148 ist
insgesamt rechteckförmig. Sie weist eine über
das Modul 76 verteilt variierende Schichtdicke 150 auf,
so dass die Isolierschicht 148 und somit das Modul 76 insgesamt
keilförmig ist.
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Das
Modul 76 umfasst ferner eine zweite Isolierschicht 154,
mittels welcher die elektrischen Leitelemente 142 der zweiten
Lage 140 gegenüber einer Wärmesenke 58, 60 elektrisch
isoliert werden. Die zweite Isolierschicht ist beispielsweise aus
einem keramischen Material hergestellt. Die zweite Isolierschicht 154 weist
eine konstante Schichtdicke 156 auf.
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Wenn
die erste Anlagefläche 100 des Moduls 76 an
einer wärmeabgebenden Oberfläche des Generators 10 anliegt
und wenn die zweite Anlagefläche 102 des Moduls 76 an
einer wärmeaufnehmenden Oberfläche des Generators 10 anliegt,
fließt ein Wärmestrom durch das Modul 76 hindurch.
Auf diese Weise kann mit Hilfe der thermoelektrischen Elemente 146 eine
Spannung erzeugt werden, welche an elektrischen Anschlüssen 158, 160 abgreifbar
ist.
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Unter
weiterer Bezugnahme auf 2 wird nachstehend die Funktionsweise
des thermoelektrischen Generators 10 beschrieben.
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Während
des Betriebs des Generators 10 wird der Strömungskanal 46 der
Wärmequelle 38 mit einem heißen Fluid
durchströmt. Dieses Fluid gibt Wärme an die Strömungskanalbegrenzungen 48 und 50 der
Wärmequelle 38 ab, welche die Wärme in
die Zusatzelemente 78 einleiten. Die einem Modul 76 zugewandte
Außenfläche 118 eines Zusatzelements 78 bildet
eine wärmeabgebende Oberfläche 162 des Generators 10 (siehe 3),
welche an der ersten Anlagefläche 100 eines Moduls 76 anliegt.
Durch den Kontakt zwischen der Außenfläche 162 und
der ersten Anlagefläche 100 kann der Wärmestrom
weiter in das Modul 76 geleitet werden, so dass mit Hilfe
des Moduls 76 – wie vorstehend beschrieben – eine Spannung
erzeugt werden kann, welche an den Anschlüssen 158, 160 abgreifbar
ist.
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Der
Wärmestrom wird über die zweite Anlagefläche 102 eines
Moduls 76 weiter in Richtung einer der Wärmesenken 58, 60 geleitet.
Hierfür steht die zweite Anlagefläche 102 eines
Moduls 76 in Kontakt mit einer wärmeaufnehmenden
Oberfläche 164 der Wärmesenken 58, 60.
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Die
Wärmeabfuhr mit Hilfe der Wärmesenken 58, 60 erfolgt über
ein die Strömungskanäle 74 durchströmendes
Kühlfluid.
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Wenn
der Generator 10 in Betrieb genommen wird, erwärmen
sich insbesondere die Strömungskanalbegrenzungen 48, 50, 52 der
Wärmequelle 38, die Zusatzelemente 78 und
die Module 76. Hierdurch bedingt dehnen sich die genannten
Teile aus. Hierdurch bedingt gleiten die erste Anlagefläche 100 des
Moduls 76 und die Außenfläche 118 des
Zusatzelements 78 aneinander ab. Dieses Abgleiten kann
unterstützt werden, indem die Flächen 100 und 118 eine
niedrige Rautiefe, insbesondere eine Rautiefe Rz von
weniger als 12 μm aufweisen.
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Die
höhere Seitenfläche 110 des Moduls 76 stützt
sich an einer dieser Seitenfläche zugeordneten Modul-Abstützfläche 82 ab.
Die höhere Seitenfläche 128 des Zusatzelements 78 liegt
an einer das Zusatzelement 78 und somit die Außenfläche 118 abstützenden
Oberflächen-Abstützfläche 88 an.
Jeweils einander gegenüberliegende Oberflächen-Abstützflächen 88 und
Modul-Abstützflächen 82 sind zueinander
um ein Maß beabstandet, welches größer
ist als der Abstand 135 zwischen den Seitenflächen 126, 128 eines
Zusatzelements und eines Abstands (ohne Bezugszeichen) zwischen
den Seitenflächen 108, 110 eines Moduls 76.
Auf diese Weise kann sich das Zusatzelement 78 in Richtung
auf eine Modul-Abstützeinrichtung 80 ausdehnen.
Das Modul 76 kann sich in Richtung auf eine Oberflächen-Abstützeinrichtung 86 ausdehnen.
Insgesamt sind ein Modul 76 und ein zugeordnetes Zusatzelement 78 formschlüssig
zwischen einer Wärmequelle 38 und einer Wärmesenke 58, 60 eingebettet.
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In
dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die wärmeaufnehmende Oberfläche 164 des
Generators 10 von einer äußeren Wandfläche
einer Strömungskanalbegrenzung 64 einer Wärmesenke 58, 60 gebildet.
Bei einer alternativen, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform
kann die wärmeaufnehmende Oberfläche 164 des
Generators 10 auch von einem insbesondere keilförmigen
Zusatzelement gebildet werden, welches zwischen der zweiten Anlagefläche 102 eines Moduls 76 und
einer Wärmesenke angeordnet ist.
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In
entsprechender Weise kann bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten
alternativen Ausführungsform die wärmeabgebende
Oberfläche 162 des Generators 10 nicht
durch ein Zusatzelement 78 gebildet werden, sondern durch
eine äußere Wandfläche einer Strömungskanalbegrenzung 48, 50 der Wärmequelle 38.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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