DE102007063172A1 - Thermoelektrischer Generator und Verfahren zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators - Google Patents

Thermoelektrischer Generator und Verfahren zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators Download PDF

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Abstract

Um einen thermoelektrischen Generator, umfassend mindestens eine Wärmequelle, mindestens eine Wärmesenke und mindestens ein thermoelektrisches Modul, wobei die mindestens eine Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist, so zu verbessern, dass der Generator einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweist, wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Strömungskanal mindestens einen ersten Kanalabschnitt und mindestens einen in Durchströmungsrichtung des wärmeabgebenden Fluids folgenden zweiten Kanalabschnitt aufweist und dass ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kanalabschnitts kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt des ersten Kanalabschnitts und/oder dass eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts niedbegrenzung des ersten Kanalabschnitts und/oder dass der zweite Kanalabschnitt zumindest einen dem zweiten Kanalabschnitt zugeordneten Materialabschnitt umfasst, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit eines dem ersten Kanalabschnitt zugeordneten Materialabschnitts, und/oder dass der Generator mindestens eine zusätzliche Fluidführungseinrichtung zur Führung eines Teilstroms des wärmeabgebenden Fluids umfasst, wobei der Teilstrom dem zweiten Kanalabschnitt unter Umgehung des ersten Kanalabschnitt zuführbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator, umfassend mindestens eine Wärmequelle, mindestens eine Wärmesenke und mindestens ein thermoelektrisches Modul, wobei die mindestens eine Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist.
  • Mit einem thermoelektrischen Generator kann eine elektrische Leistung erzeugt werden, indem Wärme aus einer Wärmequelle über ein thermoelektrisches Modul einer Wärmesenke zugeführt wird.
  • Thermoelektrische Generatoren haben den Vorteil, dass sie verschleißfrei arbeiten, da sie keine bewegten Bauteile aufweisen. Nachteilig ist jedoch, dass thermoelektrische Generatoren einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad aufweisen und relativ viel Bauraum beanspruchen. Dies erschwert die Integration eines thermoelektrischen Generators in ein übergeordnetes technisches System, dessen Abwärme nutzbar gemacht werden soll.
  • Ein eingangs genannter thermoelektrischer Generator ist beispielsweise aus der US 6,028,263 bekannt. Der dort offenbarte Generator umfasst eine Vielzahl von in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen hintereinander ange ordneten thermoelektrischen Modulen. Da sich ein Heißgas, welches durch den Strömungskanal geleitet wird, von einer Eingangsseite hin zu einer Ausgangsseite abkühlt, entsteht entlang des Strömungskanals ein Temperaturgefälle. Dies hat zur Folge, dass die entlang der Strömungsrichtung verteilten thermoelektrischen Module unterschiedliche Spannungen erzeugen. Um dies zu vermeiden, weist der aus der US 6,028,263 bekannte Generator strömungseingangsseitig eine niedrigere Anzahl von miteinander in Reihe geschalteten thermoelektrischen Modulen auf als strömungsausgangsseitig.
  • Ein eingangs genannter thermoelektrischer Generator ist auch aus der US 5,974,803 bekannt. In dieser Druckschrift wird vorgeschlagen, eine Temperaturkompensation dadurch zu ermöglichen, dass in kalten und warmen Bereichen des Generators thermoelektrische Elemente mit unterschiedlichen thermoelektrischen Eigenschaften verwendet werden oder dass die Anzahl und/oder die Dicke und/oder die Fläche von Wärmeübertragungsrippen variiert.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der mindestens eine Strömungskanal mindestens einen ersten Kanalabschnitt und mindestens einen in Durchströmungsrichtung des wärmeabgebenden Fluids folgenden zweiten Kanalabschnitt aufweist, und dass ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kanalabschnitts kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt des ersten Kanalabschnitts und/oder dass eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts niedriger ist als eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung des ersten Kanalabschnitts und/oder dass der zweite Kanalabschnitt zumindest einen dem zweiten Kanalabschnitt zugeordneten Materialabschnitt umfasst, dessen Wärmleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit eines dem ersten Kanalabschnitt zugeordneten Materialabschnitts und/oder dass der Generator mindestens eine zusätzliche Fluidführungseinrichtung zur Führung eines Teilstroms des wärmeabgebenden Fluids umfasst, wobei der Teilstrom dem zweiten Kanalabschnitt unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts zuführbar ist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Generator kann in Strömungsrichtung des wärmeabgebenden Fluids gesehen entlang der Wärmequelle ein gleichmäßiges Temperaturniveau erreicht werden. Auf diese Weise kann mindestens ein thermoelektrisches Modul entlang einer in Durchströmungsrichtung des Fluids gemessenen Länge gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt werden. Dies führt dazu, dass das mindestens eine thermoelektrische Modul in einem relativ engen Temperaturfenster betrieben werden kann, in welchem es einen hohen Wirkungsgrad hat. Das mindestens eine thermoelektrische Modul kann sich über die gesamte Länge und/oder Breite der Wärmequelle erstrecken oder auch nur über eine Teilfläche der Wärmequelle.
  • Zur Vergleichmäßigung des Temperaturverlaufs entlang des Strömungskanals ist es vorteilhaft, wenn ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kanalabschnitts kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt des ersten Kanalabschnitts. Dies bewirkt eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des wärmeabgebenden Fluids auf Höhe des zweiten Kanalabschnitts im Vergleich zu dem ersten Ka nalabschnitt. Auf diese Weise kann auf Höhe des zweiten Kanalabschnitts ein gegenüber dem ersten Kanalabschnitt erhöhter konvektiver Wärmeübergang erzeugt werden. Hierdurch kann der Effekt, dass sich das wärmeabgebende Fluid auf dem Weg von dem ersten Kanalabschnitt hin zu dem zweiten Kanalabschnitt abkühlt, kompensiert werden.
  • Zusätzlich oder optional ist es günstig, wenn eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts niedriger ist als eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung des ersten Kanalabschnitts. Durch die höhere Wandstärke des ersten Kanalabschnitts wird der Wärmewiderstand dieses Abschnitts vergrößert, so dass sich die Temperaturdifferenz zwischen einer wärmeaufnehmenden Oberfläche der Strömungskanalbegrenzung und einer dem thermoelektrischen Modul zugewandten, wärmeabgebenden Oberfläche der Strömungskanalbegrenzung erhöht. Durch die niedrigere Wandstärke der Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen den genannten Oberflächen.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn der zweite Kanalabschnitt zumindest einen dem zweiten Kanalabschnitt zugeordneten Materialabschnitt umfasst, dessen Wärmleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit eines dem ersten Kanalabschnitt zugeordneten Materialabschnitts. Auf diese Weise kann ein Wärmefluss von dem wärmeabgebenden Fluid zu dem mindestens einen thermoelektrischen Modul in den verschiedenen Kanalabschnitten gezielt beeinflusst werden.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Generator mindestens eine zusätzliche Fluidführungseinrichtung zur Führung eines Teilstroms des wärmeabgebenden Fluids umfasst, und wenn der Teilstrom dem zweiten Kanalabschnitt unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts zuführbar ist. Diesem Teilstrom wird nicht bereits in dem ersten Kanalabschnitt Wärme entzogen, sondern erst in dem zweiten Kanalabschnitt. Hierdurch wird das entlang der Wärmequelle anliegende Temperaturprofil vergleichmäßigt, so dass sich der konvektive Wärmeübergang im Bereich des zweiten Kanalabschnitts erhöht.
  • Ein durch den ersten Kanalabschnitt geführter Teilstrom kann entweder abgezweigt werden, so dass er den zweiten Kanalabschnitt nicht mehr durchströmt, oder er kann sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Kanalabschnitt geführt werden.
  • Die vorstehend diskutierten Maßnahmen können jeweils einzeln bei einem eingangs genannten thermoelektrischen Generator angewendet werden, um dessen Wirkungsgrad zu verbessern. In vorteilhafter Weise werden bei einem eingangs genannten thermoelektrischen Generator mindestens zwei der vorstehend diskutierten Maßnahmen miteinander kombiniert.
  • Bevorzugt ist es, wenn der thermoelektrische Generator eine Mehrzahl von in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen hintereinander angeordneten thermoelektrischen Modulen umfasst. Durch die Vergleichmäßigung des an der Wärmequelle anliegenden Temperaturprofils können an den hintereinander angeordneten thermoelektrischen Modulen zumindest annähernd gleiche Spannungen abgegriffen werden.
  • Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, hinsichtlich ihrer Abmessungen und/oder ihrer elektrischen Eigenschaften unterschiedliche thermoelektrische Module zu verwenden. Besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn mindestens zwei thermoelektrische Module, vorzugsweise alle Module eines Generators, identisch sind. Hierdurch vereinfacht sich die Montage des Generators, da jedes der Module in beliebiger Weise an der Wärmequelle anordenbar ist.
  • Vorzugsweise ist der Strömungskanal im Querschnitt rechteckförmig oder einer Rechteckform angenähert. Auf diese Weise ist es möglich, einen vergleichsweise kompakten Generator zu schaffen, bei welchem eine Mehrzahl von Wärmequellen und Wärmesenken jeweils entlang einer Stapelrichtung einander abwechselnd übereinander angeordnet sind, wobei zwischen jeweils einer Wärmequelle und jeweils einer Wärmesenke mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist. Der Strömungskanal kann einen Querschnitt mit verrundeten Eckbereich aufweisen. Insbesondere kann der Strömungskanal im Querschnitt eine Langlochform aufweisen.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der mindestens eine Strömungskanal in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen eine abnehmende Strömungskanalbreite auf. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Strömungskanalbreite eine Abmessung des Strömungskanals verstanden, welche parallel zu einem sich flächig erstreckenden thermoelektrischen Modul anliegt. Durch die in Strömungsrichtung abnehmende Strömungskanalbreite kann ein Strömungsquerschnitt des zweiten Kanalabschnitts gegenüber einem Strömungsquerschnitt des ersten Kanalabschnitts verkleinert werden.
  • Alternativ oder ergänzend hierzu ist es vorteilhaft, wenn der mindestens eine Strömungskanal in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen eine abnehmende Strömungskanalhöhe aufweist. Im Rahmen dieser Erfindung wird unter einer Strömungskanalhöhe eine Abmessung des Strömungskanals verstanden, welche senkrecht zu einem sich flächig erstreckenden thermoelektrischen Modul anliegt.
  • Bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine thermoelektrische Modul an der Strömungskanalbegrenzung des ersten Kanalabschnitts und/oder an der Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts angeordnet ist. Hierdurch ist ein Wärmefluss von der Wärmequelle über eine Strömungskanalbegrenzung hin zu dem mindestens einen thermoelektrischen Element ermöglicht.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der dem ersten Kanalabschnitt zugeordnete Materialabschnitt zumindest anteilig durch die Strömungskanalbegrenzung des ersten Kanalabschnitts und/oder durch mindestens ein in dem ersten Kanalabschnitt angeordnetes Rippenelement gebildet ist oder sind und/oder dass der dem zweiten Kanalabschnitt zugeordnete Materialabschnitt zumindest anteilig durch die Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts und/oder durch mindestens ein in dem zweiten Kanalabschnitt angeordnetes Rippenelement gebildet ist oder sind. Bei einem solchen Generator ist es möglich, einen Strömungskanal mit konstantem Strömungsquerschnitt und/oder eine Strömungskanalbegrenzung mit konstanter Wandstärke zu verwenden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der dem ersten Kanalabschnitt zugeordnete Materialabschnitt zumindest anteilig durch mindestens ein Zusatzelement gebildet ist und/oder dass der dem zweiten Kanalabschnitt zugeordnete Materialabschnitt zumindest anteilig durch mindestens ein Zusatzelement gebildet ist. Mit Hilfe solcher Zusatzelemente kann ein Wärmefluss in den verschiedenen Kanalabschnitten besonders einfach beeinflusst werden. Beispielsweise können aus unterschiedlichen Materialien hergestellte Zusatzelemente verwendet werden, so dass ein Wärmefluss in dem ersten Kanalabschnitt stärker gehemmt wird als ein Wärmefluss in dem zweiten Kanalabschnitt.
  • Es ist insbesondere möglich, nur in einem der Kanalabschnitte ein Zusatzelement anzuordnen. Beispielsweise kann ausschließlich in dem ersten Kanalabschnitt ein Zusatzelement angeordnet werden, welches den Wärmefluss hemmt. Alternativ hierzu kann ausschließlich in dem zweiten Kanalabschnitt ein Zusatzelement angeordnet werden, welches einen besonders guten Wärmefluss ermöglicht, beispielsweise eine Wärmeleitpaste.
  • Vorzugsweise ist das mindestens eine Zusatzelement zwischen einer Strömungskanalbegrenzung des ersten Kanalabschnitts und dem mindestens einen thermoelektrischen Modul angeordnet oder zwischen einer Strömungskanalbegrenzung des zweiten Kanalabschnitts und dem mindestens einen thermoelektrischen Modul. Hierdurch kann ein Wärmefluss zwischen einer Strömungskanalbegrenzung und einem thermoelektrischen Modul direkt beeinflusst werden.
  • Ferner ist es vorteilhaft, wenn mit Hilfe des mindestens einen Zusatzelements eine Anzahl und/oder Ausdehnung mindestens einer Kontaktfläche oder einer Mehrzahl von Kontaktflächen zwischen einer Strömungskanalbegrenzung und dem mindestens einen thermoelektrischen Modul eingestellt ist. Eine Erhöhung der Anzahl der Kontaktflächen und/oder der Ausdehnung der Kontaktfläche oder der Kontaktflächen geht mit einer Erhöhung eines Wärmeflusses einher.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Zusatzelement durch eine Wärmeleitpaste gebildet ist. Hierdurch wird ein guter Wärmekontakt zwischen einer Strömungskanalbegrenzung und mindestens einem thermoelektrischen Modul hergestellt.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Zusatzelements temperaturabhängig ist. Vorzugsweise nimmt die Wärmeleitfähigkeit des Zusatzelements mit steigender Temperatur ab. Ein solches Zusatzelement kann beispielsweise mindestens einen Hohlraum oder Spalt aufweisen, der sich mit steigender Temperatur ausdehnt und somit einen Wärmefluss durch das Zusatzelement hindurch stärker hemmt. Ein solcher Hohlraum oder Spalt kann insbesondere durch Materialabschnitte mit unterschiedlichen Wärmeleitzahlen begrenzt sein.
  • Vorzugsweise umfasst die mindestens eine Fluidführungseinrichtung mindestens eine Fluidführungsleitung. Eine solche Fluidführungsleitung ermöglicht eine besonders einfache und effiziente Leitung eines Teilstroms des wärmeabgebenden Fluids in den zweiten Kanalabschnitt.
  • Ferner ist es günstig, wenn die mindestens eine Fluidführungseinrichtung mindestens ein sich quer oder schräg zur Durchströmungsrichtung erstreckendes Fluidführungselement umfasst. Ein solches Fluidführungselement ermöglicht eine Umlenkung eines Teilstroms des wärmeabgebenden Fluids und/oder eine Aufteilung eines Fluidstroms in mehrere Teilströme.
  • Bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Fluidführungseinrichtung zumindest anteilig durch mindestens ein Rippenelement gebildet ist, welches in dem Strömungskanal angeordnet ist. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Rippenelementen eine Fluidführungsleitung oder einen Teil einer Fluidführungsleitung bilden.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Fluidführungseinrichtung innerhalb des mindestens einen Strömungskanals angeordnet. Hierdurch kann ein Generator mit kompakten Außenabmessungen geschaffen werden.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Fluidführungseinrichtung außerhalb des mindestens einen Strömungskanals angeordnet und mündet an oder in dem zweiten Kanalabschnitt. Dies ermöglicht es, dem zweiten Kanalabschnitt einen Teilstrom des Fluids zuzuführen, ohne dabei die Strömungsverhältnisse und/oder den Strömungsquerschnitt des ersten Kanalabschnitts zu beeinflussen.
  • Günstig ist es, wenn der Generator mindestens zwei Fluidführungsleitungen umfasst, welche auf einander gegenüberliegenden Seiten des mindestens einen Strömungskanals an oder in dem zweiten Kanalabschnitt münden. Auf diese Weise ist es möglich, dass ein durch den zweiten Kanalabschnitt strömendes Fluid in einer Richtung quer zu der Strömungsrichtung gesehen ein gleichmäßiges Temperaturprofil aufweist. Beispielsweise kann ein aus dem ersten Kanalabschnitt zugeführter Teilstrom, welcher in seitlichen Bereichen eine niedrigere Temperaturen aufweist als in einem zentralen Bereich, in den seitlichen Bereichen mit zusätzlichen, noch nicht abgekühlten Teilströmen angereichert werden.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn die mindestens eine Fluidführungseinrichtung zwischen einer Mehrzahl von Strömungskanälen angeordnet ist. Dies ermöglicht einen besonders kompakten Aufbau eines mehrflutigen Generators.
  • Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass ein Fluidmassenstrom des den zweiten Kanalabschnitt durchströmenden wärmeabgebenden Fluids höher ist als ein Fluidmassenstrom des den ersten Kanalabschnitt durchströmenden wärmeabgebenden Fluids. Auf diese Weise kann eine Abkühlung des Fluids dadurch verhindert werden, dass dem zweiten Kanalabschnitt zusätzlich zu einem bereits abgekühlten Teilstrom des Fluids ein Teilstrom mit noch nicht abgekühltem Fluid zugeführt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Generator mindestens eine Einstelleinrichtung zur Einstellung eines dem ersten Kanalabschnitt zuführbaren ersten Teilstroms und/oder zur Einstellung eines dem zweiten Kanalabschnitt zuführbaren zweiten Teilstroms des wärmeabgebenden Fluids umfasst. Auf diese Weise kann ein durch den ersten Kanalabschnitt und/oder den zweiten Kanalabschnitt zu leitender Fluidmassenstrom erhöht oder verringert werden, insbesondere in Abhängigkeit der Temperatur des Fluids. Es können mehrere Einstelleinrichtungen vorgesehen sein, die unterschiedlichen Kanalabschnitten zugeordnet sind. Dies ermöglicht eine voneinander unabhängige Einstellung der Teilströme.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn mittels der Einstelleinrichtung das Verhältnis des ersten Teilstroms relativ zu dem zweiten Teilstrom einstellbar ist. Hierbei geht eine Erhöhung eines der Teilströme mit einer Verkleinerung des anderen Teilstroms einher.
  • In vorteilhafter Weise umfasst der thermoelektrische Generator mindestens einen weiteren Kanalabschnitt zur Führung zumindest eines Teils des wärmeabgebenden Fluids unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts und des zweiten Kanalabschnitts. Mit Hilfe des weiteren Kanalabschnitts kann ein "By-Pass" geschaffen werden, der es ermöglicht, zumindest einen Teil des wärmeabgebenden Fluids so durch den thermoelektrischen Generator zu leiten, dass dieses Fluid den ersten Kanalabschnitt und den zweiten Kanalabschnitt nicht durchströmt.
  • Günstig ist es ferner, wenn in dem Strömungskanal mindestens ein Rippenelement angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine wärmeaufnehmende Oberfläche der Wärmequelle vergrößert werden. Auch auf diese Weise ist eine gezielte Beeinflussung des Temperaturprofils der Wärmequelle möglich.
  • Vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Rippenelement in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen eine zunehmende Rippenelementhöhe aufweist. Auf diese Weise kann in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen eine wärmeaufnehmende Oberfläche der Wärmequelle vergrößert werden.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Rippenelement eine maximale Rippenelementhöhe aufweist, welche dem Abstand von zwei einander gegenüberliegenden Strömungskanalbegrenzungen entspricht. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Rippenelements eine Versteifungseinrichtung geschaffen werden, welche die Stabilität der Wärmequelle erhöht. Dies ist insbesondere vorteilhaft für einen Generator, welcher mehrere, abwechselnd übereinander gestapelte Wärmequellen und Wärmesenken umfasst, welche miteinander verspannt werden, um einen guten Wärmekontakt mit den jeweils in Zwischenlage angeordneten thermoelektrischen Modulen zu schaffen.
  • Günstig ist es ferner, wenn die Länge eines in dem zweiten Kanalabschnitt angeordneten Rippenelements größer ist als die Länge eines in dem ersten Kanalabschnitt angeordneten Rippenelements. Auch auf diese Weise kann eine wärmeaufnehmende Oberfläche der Wärmequelle in Durchströmungsrichtung des Fluids in einfacher Weise beeinflusst, insbesondere vergrößert werden.
  • Vorzugsweise ist die Gesamtlänge von in dem zweiten Kanalabschnitt angeordneten Rippenelementen größer als eine Gesamtlänge von in dem ersten Kanalabschnitt angeordneten Rippenelementen. Auf diese Weise lässt sich in beiden Kanalabschnitten die wärmeaufnehmende Oberfläche der Wärmequelle vergrößern. Zusätzlich kann durch die Anpassung der Gesamtlängen eine Temperaturkompensation erreicht werden.
  • Vorteilhaft ist es ferner, wenn das mindestens eine Rippenelement einen gekrümmten Verlauf aufweist. Ein solches Rippenelement ermöglicht eine gezielte Beeinflussung der Strömung des wärmeabgebenden Fluids durch den Strömungskanal. Beispielsweise kann ein Rippenelement so gekrümmt sein, dass das Fluid einer Strömungskanalbegrenzung zugeleitet wird, welche zu einem thermoelektrischen Modul benachbart ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in dem Strömungskanal in Durchströmungsrichtung gesehen erste Rippenelemente und zweite Rippenelemente hintereinander angeordnet sind und dass mindestens eines der zweiten Rippenelemente in zu der Durchströmungsrichtung senkrechter Richtung relativ zu mindestens einem der ersten Rippenelemente versetzt angeordnet ist. Eine solche Rippenanordnung wird auch als OSF-Struktur ("Offset Strip Fin") bezeichnet. Mit Hilfe der zu den ersten Rippenelementen versetzten zweiten Rippenelemente kann eine Strömung des wärmeabgebenden Fluids lokal aufgerissen werden. Ein solches Aufreißen einer Strömung bewirkt eine Erhöhung des Wärmeübergangs.
  • Dementsprechend ist es möglich, in dem ersten Kanalabschnitt eine niedrigere Anzahl von Versatzstellen bereitzustellen als in dem zweiten Kanalabschnitt und somit den Wärmeübergang in dem zweiten Kanalabschnitt relativ zu dem ersten Kanalabschnitt zu erhöhen. Eine Erhöhung der Anzahl von Versatzstellen kann beispielsweise durch eine Verkürzung der Rippenelemente in Durchströmungsrichtung gesehen erreicht werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung gehen der mindestens eine erste Kanalabschnitt und der mindestens eine zweite Kanalabschnitt in Durchströmungsrichtung des Fluids gesehen kontinuierlich ineinander über. Auf diese Weise können Temperatursprünge entlang der Wärmequelle in besonders einfacher Art und Weise vermieden werden.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der erste Kanalabschnitt an einen Strömungseingang des mindestens einen Strömungskanals grenzt oder einen Strömungseingang bildet. Auf diese Weise kann ein vergleichsweise kompakter Generator geschaffen werden.
  • In entsprechender Weise ist es vorteilhaft, wenn der zweite Kanalabschnitt an einen Strömungsausgang des mindestens einen Strömungskanals grenzt oder einen Strömungsausgang bildet.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators, umfassend mindestens eine Wärmequelle, mindestens eine Wärmesenke und mindestens ein thermoelektrisches Modul, wobei die mindestens eine Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist.
  • Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators vorzuschlagen, mit welchem der Generator einen besonders guten Wirkungsgrad erreicht.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 34 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der mindestens eine Strömungskanal mindestens einen ersten Kanalabschnitt und mindestens einen in Durchströmungsrichtung des wärmeabgebenden Fluids folgenden zweiten Kanalabschnitt aufweist, dass das wärmeabgebende Fluid in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird, dass ein erster Teilstrom dem ersten Kanalabschnitt zugeführt wird und dass ein zweiter Teilstrom dem zweiten Kanalabschnitt unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts zugeführt wird.
  • Die Vorteile und besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators sind bereits vorstehend im Zusammenhang mit den besonderen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators erläutert worden.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators;
  • 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Wärmequelle zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator;
  • 3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Wärmequelle zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator;
  • 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Wärmequelle zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator;
  • 5 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Strömungskanals einer Wärmequelle zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator;
  • 6 eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines Rippenelements zur Verwendung bei einem Strömungskanal einer Wärmequelle eines thermoelektrischen Generators;
  • 7 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Kanalabschnitts einer weiteren Ausführungsform einer Wärmequelle zur Verwendung bei einem mehrflutigen thermoelektrischen Generator;
  • 8 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer eines thermoelektrischen Generators; und
  • 9 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Eine Ausführungsform eines mit 10 bezeichneten thermoelektrischen Generators ist in der 1 dargestellt. Der Generator 10 umfasst eine Wärmequelle 12 und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen, insbesondere ein thermoelektrisches Modul 14 sowie ein thermoelektrisches Modul 16.
  • Die thermoelektrischen Module 14, 16 wirken ferner mit einer in der Zeichnung nicht dargestellten Wärmesenke zusammen, die im einfachsten Fall durch (gegebenenfalls gekühlte) Umgebungsluft gebildet sein kann.
  • Die Wärmequelle 12 weist einen Strömungskanal 18 auf, der sich von einem Strömungseingang 20 ausgehend in einer Durchströmungsrichtung 22 für ein wärmeabgebendes Fluid bis hin zu einem Strömungsausgang 24 erstreckt.
  • Der Strömungskanal 18 der Wärmequelle 12 ist begrenzt durch eine bodenseitige Strömungskanalbegrenzung 26, eine hierzu gegenüberliegend angeordnete deckenseitige Strömungskanalbegrenzung 28 sowie zwei seitliche Strömungskanalbegrenzungen 30. Die Strömungskanalbegrenzungen 26, 28 und 30 begrenzen gemeinsam einen rechteckförmigen Strömungsquerschnitt (ohne Bezugszeichen).
  • Der Generator 10 weist einen in Durchströmungsrichtung 22 gesehen ersten Kanalabschnitt 36 und einen dem ersten Kanalabschnitt 36 in Durchströmungsrichtung 22 folgenden zweiten Kanalabschnitt 38 auf.
  • Das thermoelektrische Modul 14 ist dem ersten Kanalabschnitt 36 zugeordnet. Das thermoelektrische Modul 16 ist dem zweiten Kanalabschnitt 38 zugeordnet.
  • Die thermoelektrischen Module 14 und 16 sind in Durchströmungsrichtung 22 gesehen hintereinander angeordnet. Vorzugsweise sind die thermoelektrischen Module 14 und 16 identisch.
  • Der Generator 10 umfasst einen dem ersten Kanalabschnitt 36 zugeordneten Materialabschnitt 39 in Form eines Zusatzelements 40. Das Zusatzelement 40 ist insbesondere plattenförmig oder schichtförmig. Das Zusatzelement 40 ist zwischen dem thermoelektrischen Modul 14 und der deckenseitigen Strömungskanalbegrenzung 28 der Wärmequelle 12 angeordnet. Das Zusatzelement 40 ist beispielsweise aus einem Wärmedämmstoff hergestellt.
  • Der Generator 10 umfasst ferner einen dem zweiten Kanalabschnitt 38 zugeordneten Materialabschnitt 41 in Form eines Zusatzelements 42. Das Zusatzelement 42 ist insbesondere plattenförmig oder schichtförmig. Das Zusatzelement 42 ist zwischen dem thermoelektrischen Modul 16 und der deckenseitigen Strömungskanalbegrenzung 28 der Wärmequelle 12 angeordnet. Das Zusatzelement 42 ist beispielsweise aus Kupfer hergestellt. Insbesondere ist das Zusatzelement 42 durch eine Wärmeleitpaste gebildet. Eine solche Wärmeleitpaste kann Silikonöl und ein Zinkoxid enthalten.
  • Während des Betriebs des Generators 10 wird der Strömungskanal 18 von einem wärmeabgebenden Fluid (ohne Bezugszeichen) durchströmt. Dieses Fluid ist insbesondere das Abgas eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Während das Fluid den Strömungskanal 18 in Durchströmungsrichtung 22 durchströmt, kühlt es sich ausgehend von dem Strömungseingang 20 hin zu dem Strömungsausgang 24 ab. Dies hat zur Folge, dass die über dem thermoelektrischen Modul 16 anliegende Temperaturdifferenz gegenüber einer gemeinsamen Wärmesenke niedriger ist als eine über dem thermoelektrischen Modul 14 anliegende Temperaturdifferenz. Dies bewirkt, dass eine an elektrischen Anschlüssen 44, 46 des Moduls 14 abgreifbare Spannung deutlich niedriger sein kann als eine an elektrischen Anschlüssen 48, 50 des thermoelektrischen Moduls 16 abgreifbare Spannung. Ein solcher Effekt kann mit Hilfe nachstehend beschriebener Maßnahmen verhindert oder zumindest abgeschwächt werden.
  • Erfindungsgemäß wird nun die Wärmeleitfähigkeit der aufeinander folgenden Kanalabschnitte 36 und 38 der Wärmequelle 12 variiert. Mit Hilfe des Zusatzelements 40 wird ein Wärmestrom zwischen dem wärmeabgebenden Fluid und dem thermoelektrischen Modul 14 gehemmt. Mit Hilfe des Zusatzelements 42 wird ein Wärmestrom von dem wärmeabgebenden Fluid durch die deckenseitige Strömungskanalbegrenzung 28 hin zu dem thermoelektrischen Modul 16 unterstützt. Hierdurch wird ein in Durchströmungsrichtung 22 gesehen entlang der Wärmequelle 12 anliegendes Temperaturprofil vergleichmäßigt. Auf diese Weise können die in Durchströmungsrichtung 22 gesehen hintereinander angeordneten thermoelektrischen Module 14 und 16 mit einander zumindest teilweise angeglichenen Wärmeströmen versorgt werden. Auf diese Weise liegen für den Fall identischer Module 14 und 16 an den Anschlüssen 44 und 46 bzw. 48 und 50 zumindest in etwa gleiche Spannungswerte an.
  • Eine in der 2 dargestellte Wärmequelle 12 eignet sich zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator 10 gemäß 1, wobei ein solcher Generator 10 Zusatzelemente 40, 42 aufweisen kann oder nicht. Die Wärmequelle 12 gemäß 2 unterscheidet sich von der Wärmequelle 12 gemäß 1 dadurch, dass ein in Durchströmungsrichtung 22 anliegender Strömungsquerschnitt von einem ersten Kanalabschnitt 36 hin zu einem zweiten Kanalabschnitt 38 abnimmt. So ist beispielsweise ein Strömungsquerschnitt 52 auf Höhe eines Strömungseingangs 20 des Strömungskanals 18 größer als ein Strömungsquerschnitt 54 auf Höhe eines Strömungsausgangs 24 des Strömungskanals 18.
  • Die Verkleinerung des Strömungsquerschnitts des Strömungskanals 18 wird dadurch erreicht, dass der Abstand der seitlichen Strömungskanalbegrenzungen 30 ausgehend von dem Strömungseingang 20 bis hin zu dem Strömungsausgang 24 reduziert wird. Hierdurch verringert sich eine Strömungskanalbreite 56 ausgehend von dem ersten Kanalabschnitt 36 hin zu dem zweiten Kanalabschnitt 38.
  • Die Wärmequelle 12 umfasst zusätzlich zu den Kanalabschnitten 36 und 38 weitere Kanalabschnitte. Insbesondere umfasst die Wärmequelle 12 einen sich im Querschnitt kontinuierlich verkleinernden Kanalabschnitt 58. Die Wärmequelle 12 umfasst ferner einen zusätzlichen Kanalabschnitt 60, welcher einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweist. Die Kanalabschnitte 36 und 38 können aber auch kontinuierlich ineinander übergehen und insbesondere jeweils einen sich in Durchströmungsrichtung 22 gesehen verkleinernden Strömungsquerschnitt 52 bzw. 54 aufweisen.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wärmequelle 12. Diese weist ebenfalls einen Strömungskanal 18 mit einem sich in Durchströmungsrichtung 22 gesehen verkleinernden Strömungsquerschnitt auf. So ist der Strömungsquerschnitt 52 eines ersten Kanalabschnitts 36 größer als ein Strömungsquerschnitt 54 eines zweiten Kanalabschnitts 38. Die Verkleinerung des Strömungsquerschnitts des Strömungskanals 18 wird dadurch erreicht, dass eine durch den Abstand der bodenseitigen Strömungskanalbegrenzung 26 und der deckenseitigen Strömungskanalbegrenzung 28 bestimmte Strömungska nalhöhe 62 sich in Durchströmungsrichtung 22 des Strömungskanals 18 gesehen verringert.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wärmequelle 12 dargestellt. Diese weist einen im Querschnitt konstanten Strömungskanal 18 auf, der sich von einem Strömungseingang 20 bis hin zu einem Strömungsausgang 24 erstreckt. Die Wärmequelle 12 gemäß 4 umfasst mindestens eine Fluidführungseinrichtung 63, mittels welcher ein Teilstrom eines wärmeabgebenden Fluids dem zweiten Kanalabschnitt 38 unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts 36 zuführbar ist.
  • Die Fluidführungseinrichtung 63 weist zwei Fluidführungsleitungen 64 und 66 auf. Die Fluidführungsleitungen 64 und 66 sind außerhalb des Strömungskanals 18 angeordnet und münden in Durchströmungsrichtung 22 des Strömungskanals 18 gesehen hinter einem ersten Kanalabschnitt 36 an oder in einem in Durchströmungsrichtung 22 gesehen folgenden zweiten Kanalabschnitt 38.
  • Bei Verwendung der in 4 dargestellten Wärmequelle 12 bei einem Generator 10 wird ein Fluidstrom, dessen Wärme zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden soll, in mehrere Teilströme aufgeteilt. Ein erster Teilstrom 72 wird in den Strömungskanal 18 eingeleitet und durchströmt sowohl den ersten Kanalabschnitt 36 als auch den zweiten Kanalabschnitt 38. Ein zweiter Teilstrom 74 wird über die Fluidkanäle 68 und 70 unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts 36 in oder zu dem zweiten Kanalabschnitt 38 geleitet. Auf diese Weise kann der zweite Kanalabschnitt 38 mit einem noch nicht abgekühlten Fluid versorgt werden, so dass in Durchströmungsrichtung 22 gese hen entlang der Wärmequelle 12, insbesondere entlang der Strömungskanalbegrenzungen 26 und 28, ein gleichmäßiges Temperaturprofil erzeugt werden kann.
  • Bei einem in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein erster Teilstrom 72 nach Durchströmung des ersten Kanalabschnitts 36 abgezweigt, so dass dieser Teilstrom 72 den zweiten Kanalabschnitt 38 nicht durchströmt.
  • Eine Vergleichmäßigung des in Durchströmungsrichtung 22 anliegenden Temperaturprofils jeder der vorstehend beschriebenen Wärmequellen 12 kann in Alleinstellung oder ergänzend zu den vorstehend beschriebenen Maßnahmen auch dadurch erreicht werden, dass zumindest eine der Wandstärken der Strömungskanalbegrenzungen 26, 28, 30 in Durchströmungsrichtung 22 variiert wird. Hierbei ist eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung 26, 28, 30 eines ersten Kanalabschnitts 36 höher als eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung 26, 28, 30 eines in Durchströmungsrichtung 22 folgenden zweiten Kanalabschnitts 38.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung variiert wird, welche für eine zu einem thermoelektrischen Modul 14, 16 benachbarte Anordnung vorgesehen ist. Dies sind insbesondere die Strömungskanalbegrenzungen 26 und 28.
  • In 5 ist eine Wärmequelle 12 dargestellt, in deren Strömungskanal 18 zur Vergrößerung der Oberfläche eines ersten Kanalabschnitts 36 und eines zweiten Kanalabschnitts 38 jeweils Rippenelemente 76, 78 angeordnet sind.
  • Die Rippenelemente 76, 78 erstrecken sich in einer zu der Durchströmungsrichtung 22 des Strömungskanals 18 parallelen Richtung. Die Rippendichte der Rippenelemente 78 des zweiten Kanalabschnitts 38 ist höher als die Rippendichte der Rippenelemente 76 des ersten Kanalabschnitts 36. Die Rippenelemente 76 und 78 können insbesondere versetzt zueinander angeordnet sein, um eine sogenannte "Offset"-Anordnung zu schaffen.
  • Mit Hilfe der in 5 dargestellten Rippenelemente 76 und 78 kann eine Oberfläche eines Kanalabschnitts 36, 38 vergrößert werden. Diese Maßnahme kann jeder der vorstehend diskutierten Maßnahmen zur Vergleichmäßigung eines Temperaturprofils einer Wärmequelle 12 überlagert werden.
  • In 6 ist eine Seitenansicht eines Rippenelements 80 zur Anordnung in einem Strömungskanal 18 einer Wärmequelle 12 dargestellt. Das Rippenelement 80 weist eine Rippenelementlänge 82 auf sowie eine Rippenelementhöhe 84. Die Rippenelementlänge 82 kann der Länge eines Strömungskanals 18 entsprechen, sich also von einem Strömungseingang 20 bis hin zu einem Strömungsausgang 24 eines Strömungskanals 18 einer Wärmequelle 12 erstrecken.
  • Das Rippenelement 80 weist eine Rippenelementhöhe 84 auf, welche dem Abstand von zwei einander gegenüberliegenden Strömungskanalbegrenzungen 26, 28 entsprechen kann. Auf diese Weise kann das Rippenelement 80 eine Wärmequelle 12 versteifen. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn auf mindestens einer der Außenseiten der Strömungskanalbegrenzungen 26, 28 thermoelektrische Module 14, 16 angeordnet sind, die gegebenenfalls unter Verwendung weiterer Wärmesenken und/oder Wärmequellen mit der Wärmequelle 12 verspannt werden.
  • Das Rippenelement 80 weist eine Materialaussparung 86 auf, welche von einander gegenüberliegenden Abschnitten 88, 90 des Rippenelements 80 begrenzt ist. Die Abschnitte 88 und 90 erweitern sich in Durchströmungsrichtung 22 gesehen. Auf diese Weise verkleinert sich die Materialaussparung 86 in Durchströmungsrichtung 22 gesehen. Hierdurch wird die für eine Wärmeaufnahme zur Verfügung stehende Oberfläche einer Wärmequelle 12 in Durchströmungsrichtung 22 gesehen vergrößert.
  • In 7 ist ein zweiter Kanalabschnitt 38 einer Wärmequelle 12 eines mehrflutigen Generators dargestellt. Ein solcher Generator weist eine Mehrzahl von Strömungskanälen 18a, 18b auf. Die Strömungskanäle 18a und 18b verlaufen vorzugsweise parallel zueinander.
  • Zwischen den Strömungskanälen 18a und 18b ist eine Fluidführungseinrichtung 63 in Form einer Fluidführungsleitung 92 angeordnet. Die Fluidführungsleitung 92 dient zur Führung eines Teilstroms 74 eines wärmeabgebenden Fluids, welcher dem zweiten Kanalabschnitt 38 unter Umgehung eines in 7 nicht dargestellten ersten Kanalabschnitts 36 zugeführt wird.
  • Die Fluidführungsleitung 92 steht über Verbindungsleitungen 96a, 96b mit jeweils einem Strömungskanal 18a, 18b in fluidwirksamer Verbindung. Auf diese Weise kann dem Strömungskanal 18a ein Anteil 74a und dem Strömungskanal 18b ein Anteil 74b des Teilstroms 74 zugeführt werden.
  • Die Fluidführungseinrichtung 63 umfasst eine weitere Fluidführungsleitung 94. Diese ist ebenfalls zwischen den Strömungskanälen 18a und 18b angeordnet und verläuft insbesondere parallel zu der Fluidführungsleitung 92. Die Fluidführungsleitung 94 steht über eine Verbindungsleitung 98 mit dem Strömungskanal 18b in fluidwirksamer Verbindung. Auf diese Weise kann ein Anteil eines den zweiten Kanalabschnitt 38 des Strömungskanals 18b durchströmenden Fluids aus dem Strömungskanal 18b heraus abgezweigt und mit Hilfe der Fluidführungsleitung 94 abgeführt werden.
  • In 8 ist eine weitere Ausführungsform eines thermoelektrischen Generators 10 dargestellt. Der Generator 10 weist eine Wärmequelle 12 mit einem Strömungskanal 18 auf. Der Strömungskanal 18 ist durch eine bodenseitige Strömungskanalbegrenzung 26, einander gegenüberliegende seitliche Strömungskanalbegrenzung 30 sowie durch eine in 8 nicht dargestellte deckenseitige Strömungskanalbegrenzung begrenzt. Der Strömungskanal 18 erstreckt sich von einem Strömungseingang 20 bis hin zu einem Strömungsausgang 24.
  • Der Generator 10 gemäß 8 umfasst eine Fluidführungseinrichtung 63. Die Fluidführungseinrichtung 63 weist eine Mehrzahl von Fluidführungselementen 100 auf. Die Fluidführungselemente 100 sind insbesondere wandförmig und erstrecken sich quer oder schräg zu einer Durchströmungsrichtung 22 der Wärmequelle 12.
  • Der Generator 10 des in 8 dargestellten Ausführungsbeispiels weist drei Fluidführungselemente 100 auf, welche zueinander parallel oder im Wesentlichen parallel angeordnet sind. Jeweils zwei zueinander benachbarte Fluidführungselemente 100 begrenzen einen ersten Kanalabschnitt 36 und einen zweiten Kanalabschnitt 38. Jedem der Kanalabschnitte 36, 38 ist mindestens ein thermoelektrisches Modul 14, 16 zugeordnet. Die Module 14, 16 können beispielsweise unterhalb der bodenseitigen Strömungskanalbegrenzung 26 oder oberhalb der in 8 nicht dargestellten deckenseitigen Strömungskanalbegrenzung angeordnet sein.
  • Die Fluidführungseinrichtung 63 weist ein zentrales Fluidführungselement 100 auf, welches die Kanalabschnitte 36 und 38 voneinander trennt. Mit Hilfe dieses Fluidführungselements kann ein durch den Strömungseingang 20 in den Strömungskanal 18 der Wärmequelle 12 eingeleiteter Fluidstrom in einen ersten Teilstrom 72 und in einen zweiten Teilstrom 74 aufgeteilt werden.
  • Der erste Teilstrom 72 strömt durch den ersten Kanalabschnitt 36 und stellt auf diese Weise einen Wärmestrom für das thermoelektrische Modul 14 bereit. Der zweite Teilstrom 74 wird dem zweiten Kanalabschnitt 38 unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts 36 zugeführt. Auf diese Weise kann dem thermoelektrischen Modul 16 des zweiten Kanalabschnitts 38 ein Wärmestrom zugeführt werden.
  • Die Teilströme 72 und 74 führen beide zu dem Strömungsausgang 24 der Wärmequelle 12. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein in die Wärmequelle 12 einströmender Fluidstrom gleich einem aus der Wärmequelle 12 ausströmenden Fluidstrom. Der Teilstrom 74 ist vorzugsweise gleich dem Teilstrom 72.
  • Ein in 9 dargestelltes Ausführungsbeispiel eines Generators 10 weist einen zu dem Generator 10 gemäß 8 vergleichbaren Aufbau auf. Der Generator 10 gemäß 9 umfasst an Stelle eines zentralen Fluidführungselements 100 zwei in dem Strömungskanal 18 der Wärmequelle 12 angeordnete Fluidführungselemente 102 und 104.
  • In Erweiterung zu dem Generator 10 gemäß 8 weist der Generator 10 gemäß 9 zusätzlich zu dem ersten Kanalabschnitt 36 und zu dem zweiten Kanalabschnitt 38 einen weiteren Kanalabschnitt 106 auf. Dem weiteren Kanalabschnitt 106 ist kein thermoelektrisches Modul zugeordnet oder alternativ hierzu ein gegenüber hohen Temperaturen unempfindliches thermoelektrisches Modul.
  • Der Generator 10 umfasst eine Einstelleinrichtung 108 in Form eines Einstellelements 110. Das Einstellelement 110 ist insbesondere in Form eines Schiebers ausgebildet.
  • Das Einstellelement 110 ist innerhalb des Strömungskanals 18 der Wärmequelle 12 angeordnet. Das Einstellelement 110 weist eine erste Öffnung 112 zur Durchströmung mit einem Fluid auf. Die Öffnung 112 ist dem ersten Kanalabschnitt 36 der Wärmequelle 12 zugeordnet. Das Einstellelement 110 weist eine zweite Öffnung 114 auf, welche dem zweiten Kanalabschnitt 38 zugeordnet ist.
  • Das Einstellelement 110 ist in Betätigungsrichtungen 116 relativ zu der Wärmequelle 12 verschieblich, insbesondere stufenlos. Die Betätigungsrichtungen 116 sind insbesondere parallel oder im Wesentlichen parallel zu einer Durchströmungsrichtung 22 der Wärmequelle 12.
  • In der in 9 dargestellten Stellung des Einstellelements 110 fluchtet die erste Öffnung des Einstellelements 110 mit dem ersten Kanalabschnitt 36. Ein Teilabschnitt der zweiten Öffnung des Einstellelements 110 fluchtet mit dem zweiten Kanalabschnitt 38 der Wärmequelle 12. Ein Abschnitt 118 des Einstellelements 110 verschließt den weiteren Kanalabschnitt 106.
  • In der vorstehend beschriebenen Stellung des Einstellelements 110 wird dem ersten Kanalabschnitt 36 durch die erste Öffnung 112 des Einstellelements 110 hindurch ein erster Teilstrom 72 eines die Wärmequelle 12 durchströmenden Fluids zugeleitet. Auf diese Weise wird ein thermoelektrisches Modul 14 mit einem Wärmestrom versorgt. Ein zweiter Teilstrom 74 des Fluid gelangt unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts 36 durch die zweite Öffnung 114 des Einstellelements 110 hindurch in den zweiten Kanalabschnitt 38. Auf diese Weise kann ein thermoelektrisches Modul 16 mit einem Wärmestrom versorgt werden.
  • Ausgehend von der in 9 dargestellten Stellung des Einstellelements 110 kann dieses entgegengesetzt zur Strömungsrichtung 22 verschoben werden. Hierdurch gelangt ein zwischen den Öffnungen 112 und 114 angeordneter Abschnitt 120 in Überdeckungslage mit dem ersten Kanalabschnitt 36. Auf diese Weise wird der erste Teilstrom 72, der durch den ersten Kanalabschnitt 36 hindurchgeleitet wird, reduziert. Die Verkleinerung des Teilstroms 72 geht mit einer Erhöhung des Teilstroms 74 einher, sodass dem Modul 16 des zweiten Kanalabschnitts 38 ein höherer Wärmestrom zugeführt wird.
  • Wenn das Betätigungselement 110 weiter in einer zu der Durchströmungsrichtung 22 entgegengesetzten Richtung bewegt wird, gelangt der Abschnitt 118 des Einstellelements 110 in Überdeckungslage mit dem Fluidführungselement 104. Auf diese Weise wird ein Strömungszugang in den weiteren Kanalabschnitt 106 geschaffen. Dies ermöglicht die Nutzung des Kanalabschnitts 106 als internen "By-Pass". Ein solcher By-Pass kann genutzt werden um eine Überhitzung von Teilen des Generators 10 zu vermeiden.
  • Ausgehend von der in 9 dargestellten Stellung des Einstellelements 110 kann dieses auch in Strömungsrichtung 22 verschoben werden. Hierdurch werden die Kanalabschnitte 36 und 38 teilweise oder ganz verschlossen und der weitere Kanalabschnitt 106 ("By-Pass") wird geöffnet. Vorzugweise sind die Abmessungen der Öffnungen 112 und 114 des Einstellelements 110 und die Abmessungen der Kanalabschnitte 36 und 38 derart aufeinander abgestimmt, dass die durch die Kanalabschnitte 36 und 38 geleiteten Teilströme 72 und 74 gleich groß sind.
  • Alternativ zu der in der Zeichnung dargestellten Einstelleinrichtung 108, mittels welcher die Teilströme 72, 74 mehrerer Kanalabschnitte 36, 38 steuerbar sind, können auch mehrere Einstelleinrichtungen verwendet werden, welche jeweils nur einen durch einen der Kanalabschnitte 36, 38 zu leitenden Teilstrom steuern. Eine entsprechende, separate Einstelleinrichtung kann auch für den weiteren Kanalabschnitt 106 vorgesehen sein.
  • Auch die mit Bezug auf 8 und 9 beschriebenen Aufbauten können für einen mehrflutigen Generator 10 eingesetzt werden. Hierbei kann beispielsweise eine Wärmequelle 12 mit einem quer zur Durchströmungsrichtung gesehen zentralen Strömungseingang 20 und zwei dezentralen Strömungsausgänge 24 verwendet werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6028263 [0004, 0004]
    • - US 5974803 [0005]

Claims (35)

  1. Thermoelektrischer Generator (10), umfassend mindestens eine Wärmequelle (12), mindestens eine Wärmesenke und mindestens ein thermoelektrisches Modul (14, 16), wobei die mindestens eine Wärmequelle (12) mindestens einen Strömungskanal (18) zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (18) mindestens einen ersten Kanalabschnitt (36) und mindestens einen in Durchströmungsrichtung (22) des wärmeabgebenden Fluids folgenden zweiten Kanalabschnitt (38) aufweist, und dadurch gekennzeichnet, – dass ein Strömungsquerschnitt (54) des zweiten Kanalabschnitts (38) kleiner ist als ein Strömungsquerschnitt (52) des ersten Kanalabschnitts (36) und/oder – dass eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung (26, 28, 30) des zweiten Kanalabschnitts (38) niedriger ist als eine Wandstärke einer Strömungskanalbegrenzung (26, 28, 30) des ersten Kanalabschnitts (36) und/oder – dass der zweite Kanalabschnitt (38) zumindest einen dem zweiten Kanalabschnitt (38) zugeordneten Materialabschnitt (41) umfasst, dessen Wärmleitfähigkeit höher ist als die Wärmeleitfähigkeit eines dem ersten Kanalabschnitt (36) zugeordneten Materialabschnitts (39) und/oder – dass der Generator (10) mindestens eine zusätzliche Fluidführungseinrichtung (63) zur Führung eines Teilstroms (74) des wärmeabgebenden Fluids umfasst, wobei der Teilstrom (74) dem zweiten Kanalabschnitt (38) unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts (36) zuführbar ist.
  2. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von in Durchströmungsrichtung (22) des Fluids gesehen hintereinander angeordneten thermoelektrischen Modulen (14, 16).
  3. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei identische thermoelektrische Module (14, 16).
  4. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (18) im Querschnitt rechteckförmig oder einer Rechteckform angenähert ist.
  5. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (18) in Durchströmungsrichtung (22) des Fluids gesehen eine abnehmende Strömungskanalbreite (56) aufweist.
  6. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (18) in Durchströmungsrichtung (22) des Fluids gesehen eine abnehmende Strömungskanalhöhe (62) aufweist.
  7. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine thermoelektrische Modul (14, 16) an der Strömungskanalbegrenzung (28) des ersten Kanalabschnitts (36) und/oder an der Strömungskanalbegrenzung (28) des zweiten Kanalabschnitts (38) angeordnet ist.
  8. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem ersten Kanalabschnitt (36) zugeordnete Materialabschnitt (39) zumindest anteilig durch die Strömungskanalbegrenzung (26, 28, 30) des ersten Kanalabschnitts (36) und/oder durch mindestens ein in dem ersten Kanalabschnitt (36) angeordnetes Rippenelement (76, 78, 80) gebildet ist oder sind und/oder dass der dem zweiten Kanalabschnitt (38) zugeordnete Materialabschnitt (41) zumindest anteilig durch die Strömungskanalbegrenzung (26, 28, 30) des zweiten Kanalabschnitts (38) und/oder durch mindestens ein in dem zweiten Kanalabschnitt (38) angeordnetes Rippenelement (76, 78, 80) gebildet ist oder sind.
  9. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der dem ersten Kanalabschnitt (36) zugeordnete Materialabschnitt (39) zumindest anteilig durch mindestens ein Zusatzelement (40) gebildet ist und/oder dass der dem zweiten Kanalabschnitt (38) zugeordnete Materialabschnitt (41) zumindest anteilig durch mindestens ein Zusatzelement (42) gebildet ist.
  10. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzelement (40, 42) zwischen einer Strömungskanalbegrenzung (28) des ersten Kanalabschnitts (36) und dem mindestens einen thermoelektrischen Modul (14) angeordnet ist oder zwischen einer Strömungskanalbegrenzung (28) des zweiten Kanalabschnitts (38) und dem mindestens einen thermoelektrischen Modul (16).
  11. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe des mindestens einen Zusatzelements (40, 42) eine Anzahl und/oder Ausdehnung mindestens einer Kontaktfläche oder einer Mehrzahl von Kontaktflächen zwischen einer Strömungskanalbegrenzung (28) und dem mindestens einen thermoelektrischen Modul (14, 16) eingestellt ist.
  12. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Zusatzelement (40, 42) durch eine Wärmeleitpaste gebildet ist.
  13. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des mindestens einen Zusatzelements (40, 42) temperaturabhängig ist.
  14. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidführungseinrichtung (63) mindestens eine Fluidführungsleitung (64, 66, 92, 94) umfasst.
  15. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidführungseinrichtung (63) mindestens ein sich quer oder schräg zur Durchströmungsrichtung (22) erstreckendes Fluidführungselement (100, 102, 104) umfasst.
  16. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidführungseinrichtung (63) zumindest anteilig durch mindestens ein Rippenelement (76, 78, 80) gebildet ist, welches in dem Strömungskanal (18) angeordnet ist.
  17. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidführungseinrichtung (63) innerhalb des mindestens einen Strömungskanals (18) angeordnet ist.
  18. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidführungseinrichtung (63) außerhalb des mindestens einen Strömungskanals (18) angeordnet ist und an oder in dem zweiten Kanalabschnitt (38) mündet.
  19. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens zwei Fluidführungsleitungen (64, 66), welche auf einander gegenüberliegenden Seiten des mindes tens einen Strömungskanals (18) an oder in dem zweiten Kanalabschnitt (38) münden.
  20. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Fluidführungseinrichtung (63) zwischen einer Mehrzahl von Strömungskanälen (18a, 18b) angeordnet ist.
  21. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluidmassenstrom des den zweiten Kanalabschnitt (38) durchströmenden wärmeabgebenden Fluids höher ist als ein Fluidmassenstrom des den ersten Kanalabschnitt (36) durchströmenden wärmeabgebenden Fluids.
  22. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Einstelleinrichtung (108) zur Einstellung eines dem ersten Kanalabschnitt (36) zuführbaren ersten Teilstroms (72) und/oder zur Einstellung eines dem zweiten Kanalabschnitt (38) zuführbaren zweiten Teilstroms (74) des wärmeabgebenden Fluids.
  23. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen Einstelleinrichtung (108) das Verhältnis des ersten Teilstroms (72) relativ zu dem zweiten Teilstrom (74) einstellbar ist.
  24. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren Kanalabschnitt (106) zur Führung zumindest eines Teils des wärmeabgebenden Fluids unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts (36) und des zweiten Kanalabschnitts (38).
  25. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal (18) mindestens ein Rippenelement (76, 78, 80) angeordnet ist.
  26. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rippenelement (80) in Durchströmungsrichtung (22) des Fluids gesehen eine zunehmende Rippenelementhöhe (84) aufweist.
  27. Thermoelektrischer Generator (10) nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rippenelement (80) eine maximale Rippenelementhöhe (84) aufweist, welche dem Abstand von zwei einander gegenüberliegenden Strömungskanalbegrenzungen (26, 28) entspricht.
  28. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge eines in dem zweiten Kanalabschnitt (38) angeordneten Rippenelements (76, 78, 80) größer ist als die Länge eines in dem ersten Kanalabschnitt (36) angeordneten Rippenelements (76, 78, 80).
  29. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtlänge von in dem zweiten Kanalabschnitt (38) angeordneten Rippenelementen (76, 78, 80) größer ist als eine Gesamtlänge von in dem ersten Kanalabschnitt (36) angeordneten Rippenelementen (76, 78, 80).
  30. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Rippenelement (76, 78, 80) einen gekrümmten Verlauf aufweist.
  31. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal (18) in Durchströmungsrichtung (22) gesehen erste Rippenelemente (76) und zweite Rippenelemente (78) hintereinander angeordnet sind und dass mindestens eines der zweiten Rippenelemente (78) in zu der Durchströmungsrichtung (22) senkrechter Richtung relativ zu mindestens einem der ersten Rippenelemente (76) versetzt angeordnet ist.
  32. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Kanalabschnitt (36) und der mindestens eine zweite Kanalabschnitt (38) in Durchströmungsrichtung (22) des Fluids gesehen kontinuierlich ineinander übergehen.
  33. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kanalabschnitt (36) an einen Strömungseingang (20) des mindestens einen Strömungskanals (18) grenzt oder einen Strömungseingang (20) bildet.
  34. Thermoelektrischer Generator (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanalabschnitt (38) an einen Strömungsausgang (24) des mindestens einen Strömungskanals (18) grenzt oder einen Strömungsausgang (24) bildet.
  35. Verfahren zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators (10), umfassend mindestens eine Wärmequelle (12), mindestens eine Wärmesenke und mindestens ein thermoelektrisches Modul (14, 16), wobei die mindestens eine Wärmequelle (12) mindestens einen Strömungskanal (18) zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (18) mindestens einen ersten Kanalabschnitt (36) und mindestens einen in Durchströmungsrichtung (22) des wärmeabgebenden Fluids folgenden zweiten Kanalabschnitt (38) aufweist, dass das wärmeabgebende Fluid in mindestens zwei Teilströme (72, 74) aufgeteilt wird, dass ein erster Teilstrom (72) dem ersten Kanalabschnitt (36) zugeführt wird und dass ein zweiter Teilstrom (74) dem zweiten Kanalabschnitt (38) unter Umgehung des ersten Kanalabschnitts (36) zugeführt wird.
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