DE102014219853A1

DE102014219853A1 - Thermoelektrischer Generator

Info

Publication number: DE102014219853A1
Application number: DE102014219853.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Himmer
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2015-11-26
Also published as: US20150325767A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator (1), – mit einem Gehäuse (2), welches sich entlang einer Mittellängsachse (M) erstreckt und einen Gehäuseinnenraum (3) begrenzen, – mit einer im Gehäuseinnenraum (3) vorgesehenen und sich entlang der Mittellängsachse (M) erstreckenden Tragstruktur (4) welche den Gehäuseinnenraum (3) in einen radial äußeren Fluidkanal (5a) zum Durchströmen mit einem ersten Fluid (F1) und mit einem fluidisch von diesem getrennten, radial inneren Fluidkanal (5b) zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid (F2) unterteilt, – wobei die Tragstruktur (4) in einem Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse (M) die Geometrie eines Vielecks mit wenigstens vier Ecken (7) aufweist, so dass jeweils zwischen zwei im Querschnitt benachbarten Ecken (8) eine Tragwand (6) der Tragstruktur (4) ausgebildet ist, – wobei an jeder Tragwand (6) jeweils wenigstens ein mit den beiden Fluiden (F1, F2) thermisch verbindbares thermoelektrisches Modul (8) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator.
Unter dem Begriff ”Thermoelektrizität” versteht man die gegenseitige Beeinflussung von Temperatur und Elektrizität und ihre Umsetzung ineinander. Thermoelektrische Materialien machen sich diese Beeinflussung zunutze, um als thermoelektrische Generatoren aus Abwärme elektrische Energie zu erzeugen, kommen aber auch in Form sog. Wärmepumpen zum Einsatz, wenn unter Aufwendung von elektrischer Energie Wärme von einem Temperatur-Reservoir mit niedrigerer Temperatur in eines mit höherer Temperatur transportiert werden soll.
Gerade die genannten thermoelektrischen Generatoren finden in der Fahrzeugtechnik bei der Kühlung unterschiedlichster Bauteile wie z. B. modernen Lithium-Ionen-Batterien Anwendung, die betriebsmäßig in erheblichem Maße Abwärme entwickeln. Thermoelektrische Generatoren können aber auch in Elektrokraftfahrzeugen als kombinierte Heiz- und Kühleinrichtung, etwa zum Temperieren des Fahrgastinnenraums, verwendet werden, zumal sie einen deutlich höheren Wirkungsgrad aufweisen als etwa herkömmliche elektrische Widerstandsheizer; in Kraftfahrzeugen mit Brennkraftmaschine kann die beim Verbrennungsvorgang im Abgas erzeugte Abwärme teilweise in elektrische Energie gewandelt und in das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingespeist werden. Die in elektrische Energie gewandelte Abwärme lässt sich somit zu einem erheblichen Anteil nutzbar machen, um den Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs auf ein notwendiges Mindestmaß zu senken und damit einen unnötigen Ausstoß an Abgasen wie etwa CO₂ zu vermeiden. Bon entscheidender Bedeutung ist es dabei, eine möglichst hohe Effizienz zu erzielen, um Wärme möglichst effektiv in elektrische Energie umzuwandeln oder umgekehrt.
Als problematisch bei für den Einsatz in Kraftfahrzeugen konzipierten thermoelektrischen Generatoren erweist sich, dass der in diesen zur Verfügung stehende Bauraum zumeist begrenzt ist. Insofern besteht die Notwendigkeit, thermoelektrische Generatoren zu schaffen, die auch in Kraftfahrzeugen verbaut werden können, in welchen nur in sehr begrenztem Maße Bauraum zur Verfügung steht, ohne dass dies mit einem Verlust an Effizienz der thermoelektrischen Generatoren einherginge.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für einen thermoelektrischen Generator zu schaffen, der sich insbesondere durch einen geringen Bauraumbedarf auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
Ein erfindungsgemäßer thermoelektrischer Generator umfasst in einem ersten Aspekt ein einen Gehäuseinnenraum begrenzendes Gehäuse, das sich entlang einer gemeinsamen Mittellängsachse erstreckt. Im Gehäuseinnenraum ist eine Tragstruktur vorgesehen, die zur Anbringung bzw. Aufnahme von thermoelektrischen Modulen dient. Auch die Tragstruktur erstreckt sich ebenso wie das Gehäuse entlang besagter Mittellängsachse. Die Tragstruktur ist ferner derart ausgebildet, dass sie den Gehäuseinnenraum in einen radial äußeren Fluidkanal zum Durchströmen mit einem ersten Fluid und mit einem fluidisch von diesem getrennten radial inneren Fluidkanal zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid unterteilt.
Erfindungswesentlich ist die geometrische Form der Tragstruktur in einem Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse. In diesem Querschnitt besitzt die erfindungsgemäße Tragstruktur die Form eines Vielecks mit wenigstens vier Ecken. Zwischen zwei im Querschnitt benachbarten Ecken des Vielecks wird dabei eine Tragwand des inneren Gehäuses gebildet, so dass alle Tragwände zusammen die Tragstruktur ergeben. Erfindungsgemäß ist an jeder Tragwand wenigstens ein thermisch mit den beiden Fluiden verbindbares thermoelektrisches Modul vorgesehen.
Die erfindungsgemäße geometrische Ausbildung der Tragstruktur im Querschnitt in Form eines Vielecks ermöglicht die Bereitstellung einer hohen Anzahl von thermoelektrischen Modulen auf relativ geringem Bauraum. Auf diese Weise lassen sich thermoelektrische Generatoren mit geringem Bauraumbedarf und dennoch hoher Effizienz realisieren.
Beispielsweise besitzt eine Tragstruktur, die im Querschnitt acht Ecken aufweist, also ein Achteck ausbildet, acht Tragwände, so dass der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator wenigstens acht thermoelektrische Module umfassen kann, die in kompakter Bauweise auf engem Raum angeordnet sind.
Bevorzugt sind alle Tragwände zur Ausbildung der Tragstruktur integral aneinander ausgeformt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann im Gehäuseinnenraum zusätzlich ein Bypass-Kanal realisiert sein. In diesem Fall umfasst der thermoelektrische Generator ein zusätzliches, inneres Gehäuse, welches im Gehäuseinnenraum innerhalb der Tragstruktur angeordnet ist. Das zusätzliche innere Gehäuse trennt den radial inneren Fluidkanal in einen radial äußeren Kanalabschnitt zum Durchströmen mit dem zweiten Fluid und einen fluidisch von diesem getrennten radial inneren Kanalabschnitt, der als Bypass-Kanal für das erste und/oder das zweite Fluid dienen kann. Das durch den Bypass-Kanal strömende Fluid tritt nicht mit den thermoelektrischen Modulen in thermische Wirkverbindung.
Um den für den gesamten thermoelektrischen Generator benötigten Bauraum weiter zu reduzieren, wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, in jeder Tragwand für jedes an ihr angeordnete thermoelektrische Modul jeweils einen Durchbruch vorzusehen, in welchem das thermoelektrische Modul wenigstens teilweise aufgenommen ist, so dass das thermoelektrische Modul den Durchbruch verschließt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Ausführungsform ist das thermoelektrische Modul derart im Durchbruch angeordnet, dass es, insbesondere mittels einer komplementär zum Durchbruch ausgebildeten Deckplatte des thermoelektrischen Moduls, bündig mit einer radial äußeren Außenseite der Tragwand abschließt und radial innen in den radial inneren Fluidkanal hinein vorsteht. Je nachdem, ob das erste Fluid eine höhere oder niedrigere Temperatur als das zweite – durch den äußeren Fluidkanal strömende – Fluid aufweist, ragt eine Heiß- oder Kaltseite der thermoelektrischen Module radial nach innen in den inneren Fluidkanal hinein. Auf diese Weise kann ein besonders guter thermischer Kontakt der thermoelektrisch aktiven Elemente des thermoelektrischen Moduls mit dem durch den inneren Fluidkanal strömenden ersten Fluid erzielt werden.
Der vom gesamten thermoelektrischen Generator benötigte Bauraum lässt sich weiter verringern, indem das Gehäuse und/oder das zusätzliche, innere Gehäuse jeweils mit einer im Wesentlichen zylindrischen Geometrie ausgestattet werden.
Um die Verlustwärme, die nicht zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann, zwischen benachbarten thermoelektrischen Modulen möglichst gering zu halten, wird in einer anderen bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, zwischen zwei im Querschnitt benachbarten thermoelektrischen Modulen ein thermisches Isolationselement aus einem thermisch isolierenden Material vorzusehen. Dabei kann es sich vorzugsweise um Siliziumdioxid- oder Silikat-basierte Formteile handeln. Mittels solcher Isolationselemente kann die thermische Isolation zwischen den beiden Fluidkanälen maßgeblich verbessert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung stützen sich die thermischen Isolationselemente jeweils radial innen am radial inneren Gehäuse und radial außen am radial äußeren Gehäuse ab. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität der Tragstruktur im Gehäuseinnenraum erheblich verbessert werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist auf einer radial inneren Innenseite der thermoelektrischen Module eine rippenartige Struktur angeordnet, die in den radial inneren Fluidkanal hineinragt. Eine solche rippenartige Struktur dient zur Verbesserung der thermischen Wirkfläche der thermoelektrischen Module mit dem durch den inneren Fluidkanal strömenden zweiten Fluid. Diese Maßnahme bewirkt eine verbesserte Effizienz des thermoelektrischen Generators.
Um das Eigengewicht der rippenartigen Struktur bei gleichzeitig möglichst großer Wirkfläche gering zu halten, wird vorgeschlagen, die rippenartige Struktur im Querschnitt mit einer wellenförmigen Geometrie zu versehen. Um einen guten thermischen Kontakt mit dem thermoelektrischen Modul sicherzustellen, empfiehlt es sich, diese radial außen stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Lötverbindung, an der radial inneren Innenseite des thermoelektrischen Moduls zu befestigen. Umfasst der thermoelektrische Generator ein zusätzliches, inneres Gehäuses, so ist die rippenartige Struktur vorzugsweise derart auszubilden, dass sich die Rippen der rippenartigen Struktur im Querschnitt radial innen am zusätzlichen, inneren Gehäuse abstützen. Auf diese Weise kann die mechanische Stabilität des gesamten thermoelektrischen Generators weiter verbessert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann sich die Tragstruktur mittels einer Mehrzahl sich jeweils in radialer Richtung erstreckender Haltestege am äußeren Gehäuse abstützen. Hierzu können besagte Haltestege entlang einer Umfangsrichtung des Gehäuses im Abstand zueinander im radial äußeren Fluidkanal angeordnet sein.
In einem zweiten Aspekt umfasst der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator ein einen Gehäuseinnenraum begrenzendes äußeres Gehäuse. Im Gehäuseinnenraum ist ein inneres Gehäuse angeordnet, welches den Gehäuseinnenraum in einen äußeren Fluidkanal zum Durchströmen mit einem ersten Fluid und in einen fluidisch von diesem getrennten inneren Fluidkanal zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid teilt. Das innere Gehäuse umfasst eine erste und eine zweite Gehäusewand, die sich gegenüberliegen und in welchen jeweils wenigstens ein Durchbruch vorgesehen ist. In jeden Durchbruch ist ein thermoelektrisches Modul eingesetzt, derart, dass es den Durchbruch verschließt. Der thermoelektrische Generator gemäß dem zweiten Aspekt zeichnet sich durch einen extrem geringen Bauraumbedarf aus und bietet sich insbesondere dann zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug an, wenn auf den vorangehend im Zusammenhang mit dem thermoelektrischen Generator gemäß dem ersten Aspekt erläuterten Bypass-Kanal verzichtet werden kann. Der thermoelektrische Generator gemäß dem zweiten Aspekt kann in besonders platzsparender Flachbauweise konstruiert werden und etwa in Form eines Flachrohres realisiert werden.
Soll der thermoelektrische Generator in Flachbauweise realisiert werden, was sich insbesondere bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug als vorteilhaft erweist, so wird vorgeschlagen, das thermoelektrische Modul derart in den Durchbruch einzusetzen, dass es mit einer dem äußeren Gehäuse zugewandten Außenseite des Gehäuses bündig abschließt. Hierzu kann das thermoelektrische Modul eine Deckplatte umfassen, die dann bündig mit besagter Außenseite des Gehäuses abschließt. Gleichzeitig sollte es aber auch nach innen in den inneren Fluidkanal hineinragen. In diesem Fall liegen die beiden thermoelektrischen Module einander im inneren Fluidkanal gegenüber.
Ein besonders geringer Bauraumbedarf für den thermoelektrischen Generator kann erzielt werden, wenn das innere und/oder das äußere Gehäuse als Flachrohr ausgebildet werden, welches sich jeweils entlang einer Hauptströmungsrichtung des die beiden Fluidkanäle durchströmenden Fluids erstreckt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besitzt das innere Gehäuse eine dritte und eine vierte Gehäusewand, die in einem Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung die erste und zweite Gehäusewand zum inneren Gehäuse komplettieren. Zur Effizienzverbesserung des thermoelektrischen Generators ist in besagtem Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung an einer Innenseite der dritten Gehäusewand ein erstes thermisch isolierendes Isolationselement und an einer Innenseite der vierten Gehäusewand ein zweites thermisch isolierendes Isolationselement vorgesehen.
Eine besonders hohe thermische Isolationswirkung lässt sich indes erzielen, indem ein im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung zwischen den beiden thermoelektrischen Modulen und der dritten Gehäusewand gebildeter erster Zwischenraum durch das erste thermisch isolierende Isolationselement, insbesondere vollständig, ausgefüllt wird. Analog dazu wird ein im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung zwischen den beiden thermoelektrischen Modulen und der vierter Gehäusewand gebildeter zweiter Zwischenraum durch das zweite thermisch isolierende Isolationselement, insbesondere vollständig, ausgefüllt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, welche mit einer besonders guten thermischen Isolation der beiden Fluidkanäle zueinander einhergeht, sind die beiden thermisch isolierenden Isolationselemente Teil einer thermisch isolierenden Isolationsvorrichtung. Diese thermische Isolationseinrichtung weist in einem Längsschnitt des inneren Gehäuses entlang der Hauptströmungsrichtung eine U-förmige Geometrie mit einem Basisabschnitt und zwei seitlich vom Basisabschnitt abstehenden Schenkeln auf. Dabei bildet das erste thermisch isolierende Isolationselement einen ersten Schenkel und das zweite thermisch isolierende Isolationselement einen zweiten Schenkel der Isolationsvorrichtung aus.
Besonders zweckmäßig kann im Basisabschnitt ein Durchbruch zum Durchströmen mit dem zweiten Fluid vorgesehen ist.
Mit besonders geringen Fertigungskosten verbunden ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform, bei welcher die thermisch isolierende Isolationsvorrichtung als Strukturteil ausgebildet ist, bei welchem die beiden Schenkel integral am Basisabschnitt ausgeformt sind. Ein Solches Struktur- oder Formteil kann aus einem Silikat- oder Siliziumdioxid-basierten Material hergestellt sein.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
1 ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators in einem Querschnitt senkrecht zu einer Mittellängsachse des Gehäuses des Generators,
2 ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators in einem Querschnitt senkrecht zu einer Mittellängsachse des Gehäuses des Generators,
3 eine Detaildarstellung einer thermoelektrischen Isolationsvorrichtung in einer isometrischen Ansicht.
1 zeigt in einem Querschnitt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators 1 gemäß dem ersten Aspekt. Der thermoelektrische Generator 1 umfasst ein ausreichend dimensioniertes Gehäuse 2, das einen Gehäuseinnenraum 3 begrenzt. Das Gehäuse 2 erstreckt sich entlang einer Mittellängsachse M. Die 1 zeigt den thermoelektrischen Generator in einem Querschnitt senkrecht zu dieser Mittellängsachse M. Im Gehäuseinnenraum 3 ist eine Tragstruktur 4 zum Tragen bzw. Aufnehmen von thermoelektrischen Modulen vorgesehen, die sich ebenfalls entlang der Mittellängsachse M erstreckt und den Gehäuseinnenraum 3 in einen bezüglich der Mittellängsachse M radial äußeren Fluidkanal 5a zum Durchströmen mit einem ersten Fluid F₁ und mit einem fluidisch von diesem getrennten, radial inneren Fluidkanal 5b zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid F₂ unterteilt. Das erste Fluid F₁ kann über einen Fluideinlass 23a in den radial äußeren Fluidkanal 5b eintreten und über einen Fluidauslass 23b wieder aus dem Fluidkanal 5a austreten. Für das zweite Fluid F₂ kann ein entsprechender Fluideinlass bzw. Fluidauslass stirnseitig am Gehäuse 2 vorgesehen sein (in 1 nicht gezeigt).
Im Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse M besitzt die Tragstruktur 4 die Geometrie eines Vielecks. Im Beispiel der 1 ist das Vieleck ein Achteck, d. h. es weist acht Ecken 7 auf. In Varianten kann das Vieleck aber auch eine andere Anzahl an Ecken, beispielsweise vier oder sechs Ecken, besitzen. Jeweils zwei im Querschnitt benachbarte Ecken 7 bilden dabei eine jeweilige Tragwand 6 der Tragstruktur 4. Wie die 1 anschaulich belegt, kann das Vieleck in Form eines gleichmäßigen Vielecks mit jeweils identischen Tragwänden 6 ausgebildet sein. Beim gleichmäßigen Achteck der 1 ist also der durch die Tragwand 6 definierte Abstand zwischen zwei benachbarten Ecken 7 für alle Tragwände 6 identisch. An jeder Tragwand 6 ist jeweils wenigstens ein mit den beiden Fluiden thermisch verbindbares thermoelektrisches Modul 8 angeordnet. Die thermoelektrischen Module 8 umfassen in bekannter Weise thermoelektrische Elemente aus einem thermoelektrisch aktiven Material wie beispielsweise Bismuttellurid oder Half-Heusler-Materialien.
Zur Anordnung der thermoelektrischen Module 8 an der Tragstruktur 4 kann in jeder Tragwand 6 für jedes thermoelektrische Modul 8 jeweils wenigstens ein Durchbruch 9 vorgesehen sein, in welchem ein thermoelektrisches Modul 8 wenigstens teilweise aufgenommen ist. Um die fluidische Trennung der beiden Fluidkanäle 5a, 5b zu gewährleisten, sind die thermoelektrischen Module 8 und die Durchbrüche 9 derart dimensioniert, dass ein jeweiliges thermoelektrisches Modul 8 den ihm zugeordneten Durchbruch 9 verschließt. Bevorzugt sind die thermoelektrischen Module 8 derart in den Durchbrüchen 9 angeordnet, dass sie mittels einer Deckplatte 22 bündig mit einer jeweiligen radial äußeren Außenseite 10 der Tragwand 6 abschließen und radial nach innen in den radial inneren Fluidkanal 5a hineinragen. Je nachdem, ob das erste Fluid F₁ eine höhere oder niedrigere Temperatur als das zweite Fluid F₂ aufweist, ragt also entweder die Heißseite oder die Kaltseite der thermoelektrischen Module 8 radial nach innen in den inneren Fluidkanal 5b hinein. Diese Maßnahme bewirkt einen besonders guten thermischen Kontakt der thermoelektrischen Module 8 mit dem durch den inneren Fluidkanal 5b strömenden zweiten Fluid F₂.
Der 1 entnimmt man auch, dass der thermoelektrische Generator 1 ein zusätzliches inneres Gehäuse 11 umfasst, welches im Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse M im Gehäuseinnenraum 3 radial innerhalb der Tragstruktur 4 angeordnet ist. Bevorzugt können das Gehäuse 2 und – falls vorhanden – das zusätzliche innere Gehäuse 11 wie in 1 dargestellt jeweils mit einer im Wesentlichen zylindrischen Geometrie ausgestattet werden. Das zusätzliche, innere Gehäuse 11 trennt den radial inneren Fluidkanal 5b in einen radial äußeren Kanalabschnitt 12 zum Durchströmen mit dem zweiten Fluid F₂ und einen fluidisch von diesem getrennten radial inneren Kanalabschnitt 13, der für das erste Fluid F₁ sowie alternativ oder zusätzlich für das zweite Fluid F₂ als Bypasskanal 14 dient. Das durch den Bypass-Kanal 14 strömende Fluid wird an den thermoelektrischen Modulen 8 vorbeigeführt und kann somit nicht in Wechselwirkung mit dem zweiten Fluid F₂ treten.
Um die Verlustwärme zwischen benachbarten thermoelektrischen Modulen 8 gering zu halten, ist entsprechend der 1 zwischen zwei im Querschnitt in Umfangsrichtung U benachbarten thermoelektrischen Modulen 8 jeweils ein thermisch isolierendes thermisches Isolationselement 15 in Form eines Siliziumdioxid- oder Silikat-basierten Struktur- oder Formteils vorgesehen. Als „thermisch isolierend” werden im Kontext der vorliegenden Erfindung alle Materialien verstanden, deren Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zur Wärmeleitfähigkeit der für die thermoelektrische Module 8 verwendeten Materialien nur einen Bruchteil deren Werte aufweist.
Zur stabilen Befestigung der thermischen Isolationselemente 15 im Gehäuseinnenraum 3 stützen sich diese jeweils radial innen am zusätzlichen, inneren Gehäuse 11 und radial außen am Gehäuse 2 ab. Auf diese Weise wird auch die mechanische Stabilität der Tragstruktur 4 im Gehäuseinnenraum 3 verbessert.
Wie die 1 weiter erkennen lässt, ist auf einer radial inneren Innenseite 16 der thermoelektrischen Module 8 eine rippenartige Struktur 17 angeordnet, die in den radial inneren Fluidkanal 5b hineinragt. Die rippenartige Struktur dient der Vergrößerung der thermischen Wirkfläche der thermoelektrischen Module 8 mit dem durch den inneren Fluidkanal 5b strömenden zweiten Fluid F₂. Die rippenartige Struktur 17 besitzt in dem in 1 gezeigten Querschnitt eine wellenförmige Geometrie. Die rippenartige Struktur 17 ist mit zum jeweiligen thermoelektrischen Modul 8 proximalen Endabschnitten 18 stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Lötverbindung, an der radial inneren Innenseite des thermoelektrischen Moduls 8 befestigt. Dies bewirkt einen besonders guten thermischen Kontakt der rippenartigen Struktur 17 mit dem jeweiligen thermoelektrischen Modul 8.
Umfasst der thermoelektrische Generator 1 wie in 1 gezeigt ein zusätzliches, inneres Gehäuse 11, so stützen sich die Rippen der rippenartigen Struktur 17 im Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse M vorzugsweise mit ihrem bezüglich des thermoelektrischen Moduls 8 distalen Endabschnitt 19, also radial innen, am inneren Gehäuse 11 ab.
Unabhängig davon kann der thermoelektrische Generator 1 eine Mehrzahl von sich in radiale Richtung erstreckenden Haltestegen 20 umfassen, mittels welcher sich die Tragstruktur 4 am Gehäuse 2 abzustützen vermag. In jedem der Haltestege 20 kann ein Durchbruch 21 vorgesehen sein, um die zwischen benachbarten Haltestegen 20 ausgebildeten Kanalsegmente des äußeren Fluidkanals 5b fluidisch miteinander zu verbinden. Die Haltestege 20 sind im Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse M, vorzugsweise entlang der Umfangsrichtung U des Gehäuses 2 bzw. des zusätzlichen Gehäuses 11, im Abstand zueinander im radial äußeren Fluidkanal 5a angeordnet.
Die 2 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators 1' gemäß dem zweiten Aspekt in einem Querschnitt. Der thermoelektrische Generator 1' umfasst ein äußeres Gehäuse 3', welches sich entlang einer Mittelllängsachse M' erstreckt und einen Gehäuseinnenraum 2' begrenzt. Im Gehäuseinnenraum 2' ist ein inneres Gehäuse 4' angeordnet, welches den Gehäuseinnenraum 2' in einen äußeren Fluidkanal 5a' zum Durchströmen mit einem ersten Fluid F₁ und in einen fluidisch von diesem getrennten inneren Fluidkanal 5a' zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid F₂ teilt.
Das erste Fluid F₁ kann über einen Fluideinlass 23a' in den radial äußeren Fluidkanal 5b eintreten und über einen Fluidauslass 23b' wieder aus dem Fluidkanal 5b' austreten. Für das zweite Fluid F₂ kann ein entsprechender Fluideinlass bzw. Fluidauslass stirnseitig an den Gehäusen 3', 4' vorgesehen sein (in 2 nicht gezeigt). Die beiden Gehäuse 3', 4' sind jeweils als Flachrohr ausgebildet, welche sich entlang einer der Mittellängsachse M' entsprechenden Hauptströmungsrichtung H' der die beiden Fluidkanäle 5a', 5b' durchströmenden Fluide F₁, F₂ erstrecken. Die 2 zeigt die beiden Gehäuse 3', 4' also in einem Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse M'.
Wie in 2 dargestellt umfasst das innere Gehäuse 4' eine erste und eine zweite Gehäusewand 6a', 6b', die sich gegenüberliegen und in welchen jeweils ein Durchbruch 7a', 7b' vorgesehen ist. In Varianten des Beispiels können in jeder Gehäusewand 6a', 6b' auch wenigstens zwei solche Durchbrüche 7a', 7b' vorgesehen sein, die vorzugsweise entlang einer durch die Mittellängsachse M' definierten, axialen Richtung A' benachbart zueinander angeordnet sein können (nicht gezeigt). In jeden Durchbruch 7a', 7b' ist ein thermoelektrisches Modul 8a', 8b' mit dem Fachmann bekannten thermoelektrischen Elementen aus einem thermoelektrisch aktiven Material eingesetzt. Die thermoelektrischen Module 8a', 8b' verschließen die Durchbrüche 7a', 7b' fluiddicht. Die beiden Gehäusewände 6a', 6b' werden im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung H' bzw. zur Mittellängsachse M' durch eine dritte und eine vierte Gehäusewand 6c', 6d' zum inneren Gehäuse 4' komplettiert. Zwei oder mehrere der vier Gehäusewände 6a'–6d' können integral aneinander ausgeformt sein.
Entsprechend der 2 sind die thermoelektrischen Module 8a', 8b' derart in die Durchbrüche 7a', 7b' eingesetzt, dass sie jeweils mittels einer Deckplatte 12a', 12b' mit einer dem äußeren Gehäuse 3' zugewandten Außenseite des inneren Gehäuses 4' bündig abschließen und nach innen in den inneren Fluidkanal 5'a hineinragen. Folglich liegen die beiden thermoelektrischen Module 8a', 8b' einander im inneren Fluidkanal 5a' gegenüber.
In dem in 2 gezeigten Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung H' bzw. zur Mittelllängsachse M' ist an einer Innenseite 9' der dritten Gehäusewand 6c' ein erstes thermisch isolierendes Isolationselement 11a' und an einer Innenseite 10' der vierten Gehäusewand 6d' ein zweites thermisch isolierendes Isolationselement 11b' vorgesehen. Das erste Isolationselement 11a' füllt einen im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung H' bzw. zur Mittellängsachse M' von den beiden thermoelektrischen Modulen 8a', 8b' und der dritten Gehäusewand 6c' teilweise begrenzten ersten Zwischenraum 13' im Wesentlichen vollständig aus. Entsprechend füllt das zweite Isolationselement 11b' einen im Querschnitt von den beiden thermoelektrischen Modulen 8a', 8b' und der vierten Gehäusewand 6d' teilweise begrenzten zweiten Zwischenraum 14' im Wesentlichen vollständig aus.
Gemäß der Darstellung der 3 können die thermischen Isolationselemente 11a', 11b' beide Teil einer thermisch isolierenden Isolationsvorrichtung 15' sein, die in einem Längsschnitt des inneren Gehäuses 4' entlang der Hauptströmungsrichtung H' bzw. der Mittelllängsachse M' eine U-förmige Geometrie mit einem Basisabschnitt 16' und zwei seitlich vom Basisabschnitt 16' abstehenden Schenkeln 17a', 17b' aufweist. Zur Verdeutlichung zeigt die 3 die thermisch isolierenden Isolationsvorrichtung 15' in einer isometrischen Ansicht. Man erkennt, dass das erste thermisch isolierende Isolationselement 11a' einen ersten Schenkel 17a' und das zweite thermisch isolierende Isolationselement 11b' einen zweiten Schenkel der U-förmigen Isolationsvorrichtung bilden. Die thermisch isolierende Isolationsvorrichtung 15' kann als Struktur- oder Formteil ausgebildet sein, bei welchem die beiden Schenkel 17a', 17b' integral am Basisabschnitt 16' ausgeformt sind. Im Basisabschnitt kann 16' ein Durchbruch 18' vorgesehen sein, so dass dieser von Fluid durchströmt werden kann. Als Material kommt Siliziumdioxid oder ein Silikat in Betracht. Die U-förmige thermische Isolationsvorrichtung 15' kann derart in das innere Gehäuse 4' eingesetzt werden, dass es dieses in besagtem Längsschnitt an drei Seiten begrenzt.
Auch die thermoelektrischen Module 8a', 8b' des thermoelektrischen Generators 1' können rippenartige Strukturen 19' aufweisen, die einander im inneren Fluidkanal 5a' gegenüberliegen und bezüglich Aufbau und Wirkungsweise jenen des thermoelektrischen Generators 1 gemäß 1 entsprechen. Es geltend daher die entsprechenden Erläuterungen gemäß 1 mutatis mutandis.

Claims

Thermoelektrische Generator (1), – mit einem Gehäuse (2), welches sich entlang einer Mittellängsachse (M) erstreckt und einen Gehäuseinnenraum (3) begrenzt, – mit einer im Gehäuseinnenraum (3) vorgesehenen und sich entlang der Mittellängsachse (M) erstreckenden Tragstruktur (4), welche den Gehäuseinnenraum (3) in einen radial äußeren Fluidkanal (5a) zum Durchströmen mit einem ersten Fluid (F₁) und in einen fluidisch von diesem getrennten, radial inneren Fluidkanal (5b) zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid (F₂) unterteilt, – wobei die Tragstruktur (4) in einem Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse (M) die Geometrie eines Vielecks mit wenigstens vier Ecken (7) aufweist, so dass jeweils zwischen zwei im Querschnitt benachbarten Ecken (8) eine Tragwand (6) der Tragstruktur (4) ausgebildet ist, – wobei an jeder Tragwand (6) jeweils wenigstens ein mit den beiden Fluiden (F₁, F₂) thermisch verbindbares thermoelektrisches Modul (8) angeordnet ist.
Thermoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (1) ein zusätzliches inneres Gehäuse (11) umfasst, welches im Querschnitt senkrecht zur Mittellängsachse (M) im Gehäuseinnenraum (3) radial innerhalb der Tragstruktur (4) angeordnet ist und den radial inneren Fluidkanal (5b) in einen radial äußeren Kanalabschnitt (12) zum Durchströmen mit dem zweiten Fluid (F₁) und einen fluidisch von diesem getrennten, radial inneren Kanalabschnitt (13) trennt, der für das erste und/oder zweite Fluid (F₁, F₂) als Bypass-Kanal (14) dient.
Thermoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Tragwand (6) für jedes an ihr angeordnete thermoelektrische Modul (8) jeweils ein Durchbruch (9) vorgesehen ist, in welchem das thermoelektrische Modul (8) wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei das thermoelektrische Modul (8) den Durchbruch (9) verschließt.
Thermoelektrischer Generator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Module (8) derart in den Durchbrüchen (9) angeordnet sind, dass sie, insbesondere mittels einer Deckplatte (22), jeweils bündig mit einer radial äußeren Außenseite (10) der Tragwand (6) abschließen und radial innen in den radial inneren Fluidkanal (5b) hinein vorstehen.
Thermoelektrischer Generator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) und/oder das zusätzliche innere Gehäuse (11) jeweils eine im Wesentlichen zylindrische Geometrie aufweisen.
Thermoelektrischer Generator (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei im Querschnitt benachbarten thermoelektrischen Modulen (8) jeweils ein thermisches Isolationselement (15) aus einem thermisch isolierenden Material vorgesehen ist.
Thermoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich das thermische Isolationselement (15) radial innen am zusätzlichen inneren Gehäuse (11) und radial außen am Gehäuse (2) abstützt.
Thermoelektrischer Generator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer radial inneren Innenseite (16) des thermoelektrischen Moduls (8) eine rippenartige Struktur (17) angeordnet ist, die in den radial inneren Fluidkanal (5b) hineinragt.
Thermoelektrischer Generator (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass – die rippenartige Struktur (17) im Querschnitt eine wellenförmige Geometrie aufweist, – die rippenartige Struktur (17) radial außen stoffschlüssig, insbesondere mittels einer Lötverbindung, an der radial inneren Innenseite (16) des thermoelektrischen Moduls (8) befestigt ist und sich insbesondere radial innen am zusätzlichen inneren Gehäuse (11) abstützt.
Thermoelektrischer Generator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tragstruktur (4) mittels einer Mehrzahl sich jeweils in radialer Richtung erstreckender Haltestege (20), die entlang einer Umfangsrichtung (U) des Gehäuses (2) im Abstand zueinander im radial äußeren Fluidkanal (5a) angeordnet sind, am Gehäuse (2) abstützt.
Thermoelektrischer Generator (1'), – mit einem einen Gehäuseinnenraum (2') begrenzenden äußeren Gehäuse (3'), – mit einem im Gehäuseinnenraum (2') angeordneten inneren Gehäuse (4'), welches den Gehäuseinnenraum (2') in einen äußeren Fluidkanal (5b') zum Durchströmen mit einem ersten Fluid (F₁) und in einen fluidisch von diesem getrennten inneren Fluidkanal (5a') zum Durchströmen mit einem zweiten Fluid (F₂) teilt, – wobei das innere Gehäuse (4') eine erste und eine zweite Gehäusewand (6a', 6b') umfasst, die sich gegenüberliegen und in welchen jeweils wenigstens ein Durchbruch (7a', 7b') vorgesehen ist, – wobei in jeden Durchbruch (7a', 7b') ein thermoelektrisches Modul (8a', 8b') eingesetzt ist, so dass es den Durchbruch (7a', 7b') verschließt.
Thermoelektrischer Generator (1') nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Modul (8a', 8b') derart in den jeweiligen Durchbruch (7a', 7b') eingesetzt ist, dass es, insbesondere mittels einer Deckplatte (12a', 12b'), mit einer dem äußeren Gehäuse (3') zugewandten Außenseite des inneren Gehäuses (4') bündig abschließt und nach innen in den inneren Fluidkanal (5a') hineinragt, so dass die beiden thermoelektrischen Module (8a', 8b') einander im inneren Fluidkanal (5a') gegenüberliegen.
Thermoelektrischer Generator (1') nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das innere und/oder das äußere Gehäuse (3', 4') als Flachrohr ausgebildet sind, welche sich jeweils entlang einer Hauptströmungsrichtung (H') des die beiden Fluidkanäle (5a', 5b') durchströmenden Fluids (F₁, F₂) erstrecken.
Thermoelektrischer Generator (1') nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass – das innere Gehäuse (4') eine dritte und eine vierte Gehäusewand (6c', 6d') umfasst, die in einem Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (H') die erste und zweite Gehäusewand (6a', 6b') zum inneren Gehäuse (4') komplettieren, – im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (H') an einer Innenseite (9') der dritten Gehäusewand (6c') ein erstes thermisch isolierendes Isolationselement (11a') und an einer Innenseite (10') der vierten Gehäusewand (6d') ein zweites thermisch isolierendes Isolationselement (11b') vorgesehen sind.
Thermoelektrischer Generator (1') nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass – ein im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (H') von den beiden thermoelektrischen Modulen (8a', 8b') und der dritten Gehäusewand (6c') teilweise begrenzter erster Zwischenraum (13') durch das erste thermisch isolierende Isolationselement (11a') ausgefüllt ist, – ein im Querschnitt senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (H') von den beiden thermoelektrischen Modulen (8a', 8b') und der vierten Gehäusewand (6d') teilweise begrenzter zweiter Zwischenraum (14') durch das zweite thermisch isolierende Isolationselement (11b') ausgefüllt ist.
Thermoelektrischer Generator (1') nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass – die beiden thermisch isolierenden Isolationselemente (11a', 11b') Teil einer thermisch isolierenden Isolationsvorrichtung (15') sind, die in einem Längsschnitt des inneren Gehäuses (4') entlang der Hauptströmungsrichtung (H') eine U-förmige Geometrie mit einem Basisabschnitt (16') und zwei seitlich vom Basisabschnitt (16') abstehenden Schenkeln (17a', 17b') aufweist, – das erste thermisch isolierende Isolationselement (11a') den ersten Schenkel (17a') und das zweite thermisch isolierende Isolationselement (11a') einen zweiten Schenkel (17b') der thermischen Isolationsvorrichtung ⁽ 15' ⁾ bildet.
Thermoelektrischer Generator (1') nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass im Basisabschnitt (16') ein Durchbruch (18') zum Durchströmen mit dem zweiten Fluid (F₂) vorgesehen ist.
Thermoelektrischer Generator (1') nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch isolierende Isolationsvorrichtung (15') als Strukturteil ausgebildet ist, bei welchem die beiden Schenkel (17a', 17b') integral am Basisabschnitt (16') ausgeformt sind.