DE102007063196A1 - Thermoelektrischer Generator und Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators - Google Patents

Thermoelektrischer Generator und Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators Download PDF

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Christian Häfele
Wolf Eckhard Dr. Müller
Christian Stiewe
Rainer Dr. Richter
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Bayerische Motoren Werke AG
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Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
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    • H10N10/13Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

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Abstract

Um einen thermoelektrischen Generator, umfassend mindestens eine Wärmesenke, mindestens eine Wärmequelle, mindestens ein thermoelektrisches Modul und mindestens eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke, der mindestens einen Wärmequelle und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls, wobei die mindestens eine Wärmesenke und die mindestens eine Wärmequelle parallel zueinander und, entlang einer Stapelachse gesehen, einander abwechselnd angeordnet sind und gemeinsam einen Stapel bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke und einer Wärmequelle mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist, so zu verbessern, dass der Generator einen guten Wirkungsgrad aufweist und möglichst wenig Bauraum beansprucht, wird vorgeschlagen, dass die Verbindungseinrichtung mindestens ein unter Zugspannung stehendes Umreifungselement umfasst, welches den Stapel zumindest abschnittsweise umschließt und eine zu der Stapelachse zumindest annähernd parallel gerichtete Druckkraft auf den Stapel ausübt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator, umfassend mindestens eine Wärmesenke, mindestens eine Wärmequelle, mindestens ein thermoelektrisches Modul und mindestens eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke, der mindestens einen Wärmequelle und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls, wobei die mindestens eine Wärmesenke und die mindestens eine Wärmequelle parallel zueinander und entlang einer Stapelachse gesehen einander abwechselnd angeordnet sind und gemeinsam einen Stapel bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke und einer Wärmequelle mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist.
  • 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 thermoelektrischer Generator mit einem Stapelaufbau ist aus der GB 2 411 766 A bekannt. Eine aus dieser Druckschrift bekannte Verbindungseinrichtung umfasst zwei massive Platten, die in einer Stapelrichtung gesehen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Stapels angeordnet sind. Diese Platten sind von Verbindungsschrauben durchsetzt, mit denen die Platten aufeinander zu bewegt werden können, um den zwischen diesen Platten angeordneten Stapel einer Spannkraft auszusetzen. Diese Spannkraft bewirkt, dass die einzelnen Schichten des Stapels gegeneinander gedrückt werden, um einen guten Wärmekontakt zwischen den einzelnen Schichten zu erzeugen, insbesondere im Bereich des Übergangs zwischen einem thermoelektrischen Modul und einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke.
  • Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher einen guten Wirkungsgrad aufweist und möglichst wenig Bauraum beansprucht.
  • Diese Aufgabe wird bei einem thermoelektrischen Generator der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Verbindungseinrichtung mindestens ein unter Zugspannung stehendes Umreifungselement umfasst, welches den Stapel zumindest abschnittsweise umschließt und eine zu der Stapelachse zumindest annähernd parallel gerichtete Druckkraft auf den Stapel ausübt.
  • Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator kennzeichnet sich durch eine besonders kompakte und leichte Bauweise. Durch die Verwendung mindestens eines Umreifungselements anstelle massiver Rahmenplatten kann eine Verbindungseinrichtung geschaffen werden, welche die äußeren Abmessungen des Stapels aus Wärmequellen und Wärmesenken nur sehr geringfügig vergrößert. Das Umreifungselement ist vorzugsweise flexibel und/oder biegbar, so dass es sich der Außenkontur eines Stapels in einfacher Weise anpassen kann, wenn es mit einer Zugspannung beaufschlagt wird.
  • Mit Hilfe der Zugspannung kann eine Druckkraft erzeugt werden, welche die einzelnen Schichten des stapelförmigen Generators aufeinander drückt. Hierdurch ist ein guter Wärmekontakt zwischen den einzelnen Schichten des Generators gewährleistet. Dies verbessert die Einleitung eines Wärmestroms in ein thermoelektrisches Modul, so dass eine über dem Modul anliegende Temperaturdifferenz in effizienter Weise genutzt werden kann, um eine an dem Modul abgreifbare Spannung bereitzustellen. Eine Erwärmung des stapelförmigen Generators kann mit dessen Ausdehnung einhergehen, wodurch sich die Zugspannung des mindestens einen Umreifungselements und somit auch die auf den Stapel ausgeübte Druckkraft gegebenfalls erhöhen. Auch dies trägt zu einem guten Wärmekontakt zwischen den einzelnen Schichten des Generators bei.
  • Die Zugspannung des Umreifungselements und somit die auf den Stapel wirkende Druckkraft können in einem kalten Ausgangszustand des Generators relativ niedrig sein. Mit zunehmender Erwärmung eines Generators dehnt sich dieser aus, so dass sich die Zugspannung des Umreifungselements und somit die auf den Stapel wirkende Druckkraft erhöhen können.
  • Vorzugsweise umfasst der thermoelektrische Generator eine Mehrzahl von Wärmequellen. Durch die Verwendung einer Mehrzahl von Wärmequellen kann die Anzahl der in dem Generator anordenbaren thermoelektrischen Module erhöht und somit eine elektrische Leistung des Generators gesteigert werden.
  • Vorzugsweise umfasst der thermoelektrische Generator eine Mehrzahl von Wärmesenken. Auch durch die Verwendung einer Mehrzahl von Wärmesenken kann die Anzahl der in dem Generator anordenbaren thermoelektrischen Module erhöht und somit eine elektrische Leistung des Generators gesteigert werden.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind auf zwei einander gegenüberliegenden Außenseiten des Generators Wärmesenken angeordnet. Im einfachsten Fall umfasst ein solcher Generator genau eine zwischen den außen angeordneten Wärmesenken angeordnete Wärmequelle, wobei auf einander gegenüberliegenden Seiten der Wärmequelle jeweils mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist. Ein solcher Generator weist also eine Wärmequelle, zwei Wärmesenken und zwei Schichten mit jeweils mindestens einem thermoelektrischen Modul auf. Bei Erhöhung der Anzahl der Wärmequellen und Wärmesenken kann deren Anzahl bei einem Generator, welcher eine Anzahl n von Schichten mit jeweils mindestens einem thermoelektrischen Modul aufweist, wie folgt angegeben werden: Die Anzahl der Wärmequellen ist gleich n/2 und die Anzahl der Wärmesenken ist gleich n/2 plus 1.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind auf zwei einander gegenüberliegenden Außenseiten des Generators Wärmequellen angeordnet. Im einfachsten Fall umfasst ein solcher Generator genau eine zwischen den außen angeordneten Wärmequellen angeordnete Wärmesenke, wobei auf einander gegenüberliegenden Seiten der Wärmesenke jeweils mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist. Ein solcher Generator weist also eine Wärmesenke, zwei Wärmequellen und zwei Schichten mit jeweils mindestens einem thermoelektrischen Modul auf. Bei Erhöhung der Anzahl der Wärmequellen und Wärmesenken kann deren Anzahl bei einem Generator, welcher eine Anzahl n von Schichten mit jeweils mindestens einem thermoelektrischen Modul aufweist, wie folgt angegeben werden: Die Anzahl der Wärmesenken ist gleich n/2 und die Anzahl der Wärmequellen ist gleich n/2 plus 1.
  • Günstig ist es, wenn die mindestens eine Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist. Hierdurch lässt sich die Abwärme eines Abwärmesystems besonders gut in die Wärmequellen des thermoelektrischen Generators einleiten.
  • Günstig ist es ferner, wenn die mindestens eine Wärmesenke mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem wärmeaufnehmenden Fluid aufweist. Auf diese Weise ist eine kontinuierliche Kühlung der Wärmesenken ermöglicht.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn der mindestens eine Strömungskanal im Querschnitt rechteckförmig oder einer Rechteckform angenähert ist. Insbesondere können Eckbereiche des Strömungskanals verrundet sein, so dass beispielsweise der Strömungskanal im Querschnitt eine Langlochform aufweist.
  • Die genannten Querschnittsformen ermöglichen eine Platz sparende Anordnung von zueinander parallelen Wärmequellen und Wärmesenken.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Wärmequelle und/oder die mindestens eine Wärmesenke mindestens eine Versteifungseinrichtung aufweist, welche in dem mindestens einen Strömungskanal angeordnet ist und sich in einer zu der Stapelachse parallelen Richtung zwischen einander gegenüberliegenden Begrenzungen des Strömungskanals erstreckt. Eine solche Versteifungseinrichtung hat den Vorteil, dass eine Wärmequelle und/oder eine Wärmesenke in zu der Stapelachse paralleler Richtung eine höhere Drucksteifigkeit aufweist. Hierdurch kann eine Verformung einer Wärmequelle und/oder einer Wärmesenke vermieden werden. Eine solche Verformung wäre für einen flächigen, guten Wärmekontakt zwischen einem thermoelektrischen Modul und einer Wärmequelle und/oder einer Wärmesenke nachteilig.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Versteifungseinrichtung in Form einer Rippe ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Versteifungseinrichtung gleichzeitig die mindestens eine Wärmequelle und/oder die mindestens eine Wärmesenke versteifen und außerdem die Oberfläche des Strömungskanals vergrößern. Mit der Vergrößerung der Oberfläche des Strömungskanals geht eine bessere Wärmeübertragung zwischen einem wärmeabgebenden Fluid und dem Strömungskanal einer Wärmequelle bzw. einer Oberfläche eines Strömungskanals einer Wärmesenke und einem wärmeaufnehmenden Fluid einher. Zur weiteren Verbesserung eines Wärmeübergangs können auch mehrere relativ zueinander versetzte Rippen eingesetzt werden, welche insbesondere eine OSF-Struktur ("Offset Strip Fin") bilden. Auch wellenförmige Rippen ("Louver Fin") können verwendet werden.
  • Mit Hilfe einer sich entlang der gesamten Länge eines Strömungskanals erstreckenden Rippe kann ein Strömungskanal auch in mehrere Strömungskammern unterteilt werden, wodurch die Stabilität einer Wärmequelle und/oder einer Wärmesenke weiter erhöht wird.
  • Bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Umreifungselement bandförmig ist. Hierdurch kann eine besonders kompakte Verbindungseinrichtung geschaffen werden.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Umreifungselement in einem quer zur Richtung der Zugspannung anliegenden Materialquerschnitt rechteckförmig oder annähernd rechteckförmig. Dies ermöglicht einen flächigen Kontakt eines Umreifungselements mit den Außenseiten des Stapels.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das mindestens eine Umreifungselement in einem quer zur Richtung der Zugspannung anliegenden Materialquerschnitt kreisförmig oder oval. Hierdurch kann ein besonders kompaktes Umreifungselement bereitgestellt werden.
  • Günstig ist es, wenn das mindestens eine Umreifungselement in einem quer zur Richtung der Zugspannung anliegenden Materialquerschnitt ein Höhen-Breiten-Verhältnis von 1 zu 5 oder ein kleineres Höhen-Breiten-Verhältnis aufweist. Hierdurch kann ein flächig an den Stapel anlegbares und gleichzeitig stabiles Umreifungselement bereitgestellt werden.
  • Vorzugsweise ist das mindestens eine Umreifungselement aus einem federelastischen Material hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass mit Hilfe des Umreifungselements eine erwärmungsbedingte Ausdehnung des Stapels kompensiert werden kann.
  • Bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Umreifungselement aus einem Metall hergestellt ist. Dies ermöglicht die Aufnahme hoher Zugspannungen und somit die Erzeugung einer hohen, auf den Stapel wirkenden Druckkraft.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Umreifungselement aus einem Federstahl hergestellt ist. Hierdurch kann ein stabiles Umreifungselement bereitgestellt werden, welches auch eine Kompensation einer erwärmungsbedingten Ausdehnung des Stapels erlaubt.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn das mindestens eine Umreifungselement umfangsseitig geschlossen ist. Ein solches Umreifungselement weist eine Ringform auf, so dass es den Stapel vollständig umschließt. Auf diese Weise kann eine besonders stabile, kompakte und einfach aufgebaute Verbindungseinrichtung geschaffen werden. Zur Herstellung eines umfangsseitig geschlossenen Umreifungselements kann beispielsweise ein umfangsseitig offenes Bandelement verwendet werden, dessen Bandenden miteinander verbunden werden, beispielsweise mittels einer Schweißverbindung.
  • Vorzugsweise umfasst das mindestens eine Umreifungselement mindestens zwei sich zueinander zumindest annähernd senkrecht erstreckende Elementabschnitte. Diese Anordnung ermöglicht einen Formschluss zwischen dem mindestens einen Umreifungselement und einem im Querschnitt rechteckförmigen Stapel.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Umreifungselement mindestens einen sich quer zu der Stapelachse erstreckenden ersten Elementabschnitt und mindestens einen sich zumindest annähernd parallel zu der Stapelachse erstreckenden zweiten Elementabschnitt umfasst. Der erste Elementabschnitt ermöglicht eine über die Breite des Stapels verteilte Krafteinleitung in den Stapel. Der zweite Elementabschnitt kann genutzt werden, um eine Zugkraft in das Umreifungselement einzuleiten und somit das Umreifungselement mit einer Zugspannung zu beaufschlagen.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Generator mindestens eine Spanneinrichtung zur Beaufschlagung des mindestens einen Umreifungselements mit einer Zugspannung.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mittels der mindestens einen Spanneinrichtung die Relativposition von zwei Elementabschnitten des mindestens einen Umreifungselements oder unterschiedlicher Umreifungselemente einstellbar ist. Mit einer solchen Spanneinrichtung kann also beispielsweise der Abstand von zwei Elementabschnitten eines einzelnen Umreifungselements eingestellt werden, oder es kann der Abstand von zwei Elementabschnitten von zwei unterschiedlichen Umreifungselementen eingestellt werden. Die Spanneinrichtung ermöglicht eine einfache und toleranzunempfindliche Montage des thermoelektrischen Generators.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind mittels der mindestens einen Spanneinrichtung die zwei Elementabschnitte des mindestens einen Umreifungselements oder unterschiedlicher Umreifungselemente miteinander verbunden. Mit Hilfe der miteinander verbundenen Elementabschnitte und der mindestens einen Spanneinrichtung kann insbesondere eine umfangsseitig geschlossene, ringförmige Anordnung gebildet werden, welche den aus Wärmequellen und Wärmesenken gebildeten Stapel umschließt.
  • Alternativ oder ergänzend zu einer Verbindung von Elementabschnitten mittels einer Spanneinrichtung können mindestens zwei Elementabschnitte auch mittels einer Rastverbindung miteinander verbunden sein, insbesondere unter Verwendung von Clips. Alternativ oder ergänzend hierzu können mindestens zwei Elementabschnitte auch mittels einer Schwalbenschwanzverbindung miteinander verbunden sein, wodurch ein besonders guter Formschluss zwischen den Elementabschnitten erreicht wird.
  • Vorzugsweise ist die mindestens eine Spanneinrichtung benachbart zu einer zu der Stapelachse parallelen Stapelseite des Stapels angeordnet. Dies erleichtert die Bereitstellung einer Zugkraft, die in einer zu der Stapelachse parallelen Richtung wirkt.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Verbindungseinrichtung mindestens zwei Spanneinrichtungen umfasst, um in den Stapel eingeleitete Druckkräfte zu vergleichmäßigen.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die mindestens zwei Spanneinrichtungen auf einander gegenüberliegenden, zur Stapelachse parallelen Stapelseiten an geordnet sind. Dies erlaubt eine über die Breite des Stapels gesehen gleichmäßige Einleitung von Druckkräften.
  • In vorteilhafter Weise ist mittels der mindestens einen Spanneinrichtung eine Zugkraft erzeugbar, welche zumindest annähernd parallel zu der Stapelachse ist. Auf diese Weise kann bereits mit einer vergleichsweise geringen Zugspannung des mindestens einen Umreifungselements eine relativ hohe Druckkraft in den stapelförmigen Generator eingeleitet werden.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Spanneinrichtung mindestens ein sich zumindest annähernd parallel zur Stapelachse erstreckendes Zugglied umfasst. Ein solches Zugglied steht, wenn es das mindestens eine Umreifungselement mit einer Zugspannung beaufschlägt, ebenfalls unter Zugspannung. Dieser einachsige Spannungszustand ermöglicht die Verwendung eines vergleichsweise schlanken und leichten Bauteils.
  • Vorzugsweise ist das Zugglied in Form einer Schraube, insbesondere in Form einer Dehnschraube, ausgebildet. Hierdurch kann eine robuste, gegen Temperaturschwankungen unempfindliche Verbindungseinrichtung geschaffen werden.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spanneinrichtung mindestens ein Zwischenelement zur Verbindung des Zugglieds mit einem Elementabschnitt des mindestens einen Umreifungselements umfasst. Ein solches Zwischenelement hat den Vorteil, dass die Übertragung einer Zugkraft eines schlanken Zugglieds auf ein bandförmiges Umreifungselement vereinfacht wird.
  • Insbesondere ist es für eine Kraftübertragung zwischen dem Zugglied und dem Umreifungselement vorteilhaft, wenn das Zwischenelement in Form eines Bolzens ausgebildet ist.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn die mindestens eine Spanneinrichtung aus einem Federstahl hergestellt ist. Auf diese Weise können vergleichsweise hohe Spannkräfte aufgebracht werden. Gleichzeitig kann hierdurch gewährleistet werden, dass die Spanneinrichtung bei einer thermisch bedingten Ausdehnung des Generators elastisch nachgeben kann, ohne dabei die Spannkräfte auf ein unzulässig hohes Maß zu erhöhen.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verbindungseinrichtung mindestens eine Ausgleichseinrichtung zum Ausgleich thermisch bedingter Maßänderungen des Stapels umfasst.
  • Insbesondere kann die mindestens eine Ausgleichseinrichtung mindestens ein Federelement umfassen.
  • Bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Federelement zwischen einem Elementabschnitt des mindestens einen Umreifungselements einerseits und zwischen einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke andererseits angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders gute Kompensation von thermisch bedingten Ausdehnungen des Generators.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn das mindestens eine Federelement eine dem Umreifungselement zugewandte konkav gekrümmte Außenfläche aufweist und/oder wenn das mindestens eine Federelement eine der Wärmequelle oder der Wärmesenke zugewandte konvex gekrümmte Innenfläche aufweist. Auf diese Weise kann das Federelement nicht nur thermische bedingte Ausdehnungen des Generators kompensieren, sondern darüber hinaus eine in den Stapel des Generators eingeleitete Spannkraft über die Breite des Generatorstapels verteilt in diesen einleiten. Hierdurch können Kraftspitzen in zu den Stapelseiten benachbarten Bereichen des Stapels vermieden werden.
  • Vorzugsweise ist das mindestens eine Federelement entlang einer zu der Stapelachse parallelen Richtung mit mindestens einem thermoelektrischen Modul fluchtend angeordnet. Dies ermöglicht eine bezogen auf das mindestens eine thermoelektrische Modul zentrische Krafteinleitung. Vorzugsweise sind hierbei das Federelement und mindestens ein thermoelektrisches Modul bezogen auf eine senkrecht zur Stapelachse anliegende Stapelbreite stapelmittig angeordnet.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn mittels des mindestens einen Federelements eine zu der Druckkraft parallele, entgegengesetzt gerichtete Federkraft erzeugbar ist. Die Federkraft und die Spannkraft können insbesondere zueinander koaxial sein. Auf diese Weise können thermisch bedingte Ausdehnungen des Generators zumindest teilweise kompensiert werden.
  • Alternativ oder ergänzend zu einem Federelement kann die mindestens eine Ausgleichseinrichtung auch einen verformbaren Druckspeicher mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium umfassen. Auch mit einem solchen Druckspeicher kann eine Temperaturkompensationsmöglichkeit geschaffen werden.
  • Günstig ist es, wenn der Generator eine Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen umfasst. Dies ist insbesondere bei einem Generator mit einer großen Stapellänge vorteilhaft.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung sind die mittels einer Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen auf einen Stapel ausgeübten Druckkräfte zumindest annähernd identisch. Hierdurch ist der Stapel in unterschiedlichen Stapelabschnitten zumindest annähernd identischen mechanischen Belastungen ausgesetzt.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die mittels einer Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen auf einen Stapel ausgeübten Druckkräfte unterschiedlich hoch. Beispielsweise kann in einem in Durchströmungsrichtung des Generators gesehen ersten Stapelabschnitt eine niedrigere Druckkraft anliegen als in einem in Durchströmungsrichtung folgenden zweiten Stapelabschnitt. Dies bewirkt, dass ein Wärmefluss von einer Wärmequelle in ein thermoelektrisches Modul auf Höhe des zweiten Stapelabschnitts gegenüber einem Wärmefluss auf Höhe des ersten Stapelabschnitts verbessert wird. Dies ist vorteilhaft, da sich ein Fluid, welches den Generator durchströmt, von dem ersten Stapelabschnitt hin zu dem zweiten Stapelabschnitt abkühlt und somit in dem zweiten Stapelabschnitt nur eine geringere Wärmemenge zur Verfügung steht.
  • Nach einer Weiterbildung der Erfindung umfasst der Generator eine Mehrzahl von Stapeln. Diese können zueinander parallele, insbesondere zueinander versetzte Stapelachsen aufweisen. Auf diese Weise ist es möglich, einen thermoelektrischen Generator mit einem mehrflutigen Aufbau zu schaffen.
  • Besonders bevorzugt ist es, wenn die mindestens eine Wärmequelle durch ein Abgassystem einer diskontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet ist, insbesondere durch ein Abgassystem des Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Eine solche Wärmequelle kann beispielsweise einen Wärmeübertrager umfassen, in welchem das heiße Abgas eines Verbrennungsmotors geführt ist. Dieser Wärmeübertrager überträgt die Wärme des Abgases hin zu dem mindestens einen thermoelektrischen Modul, welches eine elektrische Spannung bereitstellt. Dies hat den Vorteil, dass die sonst ungenutzte Abwärme eines Kraftfahrzeugs genutzt werden kann, um elektrische Energie zu erzeugen und in ein Bordnetz einzuspeisen. Somit kann der Gesamtwirkungsgrad des Kraftfahrzeugs erhöht werden.
  • Ferner ist es bevorzugt, wenn die mindestens Wärmequelle durch ein Abgassystem einer kontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet ist, beispielsweise durch ein Abgassystem einer Brennkammer oder eines Heizkessels insbesondere eines Kraftwerks. Hierdurch kann der Gesamtwirkungsgrad eines Kraftwerks erhöht werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators, umfassend mindestens eine Wärmesenke, mindestens eine Wärmequelle, mindestens ein thermoelektrisches Modul und mindestens eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke, der mindestens einen Wärmequelle und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls, wobei die mindestens eine Wärmesenke und die mindestens eine Wärmequelle parallel zueinander und entlang einer Stapelachse gesehen einander abwechselnd angeordnet werden, um einen Stapel zu bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke und einer Wärmequelle mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet wird.
  • Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators anzugeben, welches eine einfache Montage eines Generators ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 49 erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Stapel mittels einer externen Hilfseinrichtung einer zumindest annähernd parallel zur Stapelachse wirkenden Spannkraft ausgesetzt wird, dass während des Wirkens der Spannkraft ein Umreifungselement in eine Lage gebracht wird, in der es den Stapel zumindest abschnittsweise umschließt, dass anschließend das Umreifungselement mit einer Zugspannung beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung des Umreifungselements mit der Zugspannung die mittels der Hilfseinrichtung erzeugte Spannkraft aufgehoben wird.
  • Die mittels der Hilfseinrichtung erzeugte Spannkraft ermöglicht es, das Umreifungselement zunächst in einem ungespannten Zustand mit dem Stapel zu fügen und erst anschließend mit einer Zugspannung zu beaufschlagen. Die mittels der Hilfseinrichtung erzeugte Spannkraft kann höher, niedriger oder gleich der Druckkraft sein, welche das Umreifungselement nach seiner Beaufschlagung mit einer Zugspannung auf den Stapel ausübt.
  • Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Hilfseinrichtung lediglich zur Positionierung und/oder Fixierung der einzelnen Bauteile des Generators verwendet wird.
  • Eine einfache Montage eines Generators mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 50 wird auch dadurch erreicht, dass ein umfangsseitig geschlossenes Umreifungselement und/oder der Stapel derart erwärmt und/oder abgekühlt werden, dass das Umreifungselement eine höhere Temperatur als der Stapel aufweist, dass das Umreifungselement in eine Lage gebracht wird, in der es den Stapel zumindest abschnittsweise umschließt, und dass anschließend die Temperaturen des Umreifungselements und des Stapels einander angeglichen werden.
  • Dieses Verfahren ermöglicht es, das Umreifungselement in einfacher Weise auf den Stapel aufzuschrumpfen, so dass es nach einer Abkühlung unter Zugspannung steht und eine Druckkraft auf den Stapel ausübt. Dieses Verfahren ist schnell und zuverlässig und insbesondere bei Verwendung eines ringförmigen, umfangsseitig geschlossenen Umreifungselements vorteilhaft.
  • 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 Vorderansicht einer Ausführungsform eines Strömungskanals einer Wärmequelle oder einer Wärmesenke zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator;
  • 3: eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines Strömungskanals einer Wärmequelle oder einer Wärmesenkung zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator;
  • 4: eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generators; und
  • 5: eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines Federelements zur Verwendung bei einem thermoelektrischen Generator.
  • Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.
  • Eine Ausführungsform eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten thermoelektrischen Generators ist in 1 dargestellt. Der Generator 10 weist zwei Wärmequellen 12, 14 auf. Der Generator 10 weist ferner drei Wärmesenken 16, 18 und 20 auf.
  • Die Wärmequellen 12, 14 und die Wärmesenken 16, 18, 20 erstrecken sich in zueinander parallelen Ebenen. Die Wärmequellen 12, 14 und die Wärmesenken 16, 18, 20 bilden gemeinsam einen Stapel 22 mit einer Stapelachse 24. Entlang der Stapelachse 24 gesehen sind die Wärmequellen 12, 14 und die Wärmesenken 16, 18, 20 einander abwechselnd angeordnet.
  • Die Wärmesenken 16 und 20 sind entlang der Stapelachse 24 gesehen auf einander gegenüberliegenden Außenseiten 26 und 28 des Stapels 22 angeordnet. Zwischen den Außenseiten 26 und 28 und hierzu senkrecht erstrecken sich zwei einander gegenüberliegende Stapelseiten 30 und 32, welche parallel zu der Stapelachse 24 sind.
  • Die Wärmequellen 12 und 14 und die Wärmesenken 16, 18 und 20 erstrecken sich parallel zu einer Generatorachse 34, welche senkrecht zu der Stapelachse 24 verläuft.
  • Die Wärmequellen 12 und 14 und die Wärmesenken 16, 18 und 20 weisen jeweils ein im Querschnitt hohles Plattenelement 36, 38, 40, 42 und 44 auf. Diese Plattenelemente sind vorzugsweise in einem Extrusionsverfahren hergestellt.
  • Vorzugsweise sind die Plattenelemente 40 und 44 der Wärmesenken 16 und 20 im Bereich der Übergänge 46 zwischen jeweils einer der Stapelseiten 30 und 32 und einer der Außenseiten 26 und 28 des Stapels 22 verrundet.
  • Die Plattenelemente 36 und 38 der Wärmequellen 12 und 14 weisen jeweils einen sich parallel zu der Generatorachse 34 erstreckenden Strömungskanal 48, 50 auf. Durch die Strömungskanäle 48 und 50 kann ein wärmeabgebendes Fluid eines Abwärmesystems geleitet werden, insbesondere das Abgas eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Strömungskanäle 48 und 50 sind jeweils begrenzt durch eine bodenseitige Begrenzung 52, eine deckenseitige Begrenzung 54 sowie seitliche Begrenzungen 56 des Plattenelements 36 bzw. 38. Die Begrenzungen 52 und 54 sind entlang der Stapelachse 24 gesehen einander gegenüberliegend angeordnet.
  • Die Plattenelemente 40, 42 und 44 der Wärmesenken 16, 18 und 20 weisen ebenfalls mindestens einen Strömungskanal 58, 60 und 62 auf. Diese Strömungskanäle erstrecken sich ebenfalls in zu der Generatorachse 34 paralleler Richtung und sind mit einem Kühlfluid durchströmbar. Jeder der Strömungskanäle 58, 60 und 62 ist durch eine bodenseitige Begrenzung 64, eine deckenseitige Begrenzung 66 sowie seitliche Begrenzungen 68 eines Plattenelements 40, 42 bzw. 44 begrenzt.
  • Die Strömungskanäle 48, 50, 58, 60, 62 sind jeweils im Querschnitt rechteckförmig oder einer Rechteckform angenähert. Der Querschnitt kann in den Eckbereichen verrundet sein oder auch eine Langlochform aufweisen, insbesondere wenn die Plattenelemente 36, 38, 40, 42 und 44 in einem Extrusionsverfahren hergestellt sind.
  • Zwischen jeweils einer Wärmequelle 12, 14 und einer Wärmesenke 16, 18 und 20 ist eine Schicht mit mindestens einem thermoelektrischen Modul 70 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die thermoelektrischen Module 70 in insgesamt vier Schichten angeordnet, die jeweils zwei thermoelektrische Module 70 umfassen. Die Module 70 einer Schicht können entlang der Generatorachse 34 gesehen hintereinander und/oder quer zu der Generatorachse 34 nebeneinander angeordnet sein.
  • Die thermoelektrischen Module 70 stehen mit jeweils einem der Plattenelemente 36, 38 der Wärmequellen 12, 14 und mit einem der Plattenelemente 40, 42, 44 der Wärmesenken 16, 18, 20 in Kontakt. Mit Hilfe der thermoelektrischen Module 70 kann eine elektrische Spannung erzeugt werden, die an elektrischen Anschlüssen 72, 74 des Generators 10 abgreifbar ist. Zur Erhöhung der elektrischen Leistung des Generators 10 umfasst dieser eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 70. Die Module 70 sind parallel und/oder in Reihe geschaltet.
  • Der Generator 10 weist zwei Verbindungseinrichtungen 76 auf, mit denen die Wärmequellen 12, 14, die Wärmesenken 16, 18 und 20 sowie die thermoelektrischen Module 70 miteinander verbunden werden, indem die genannten Teile in zu der Stapelachse 24 paralleler Richtung aufeinander gedrückt und hierdurch miteinander verspannt werden.
  • Die Verbindungseinrichtungen 76 umfassen jeweils mindestens ein bandförmiges Umreifungselement 78, welches den Stapel 22 zumindest abschnittsweise umschließt. Das Umreifungselement 78 umfasst einen ersten Elementabschnitt 80, der sich quer zu der Stapelachse 24 erstreckt. Der Elementabschnitt 80 ist benachbart zu der Außenseite 26 des Stapels 22 angeordnet.
  • Der Elementabschnitt 80 geht in einen in der 1 verdeckten zweiten Elementabschnitt über, welcher parallel zu der Stapelseite 30 verläuft. Dieser Elementabschnitt geht in einen weiteren Elementabschnitt 82 über, welcher quer zu der Stapelachse 24 verläuft. Der Elementabschnitt 82 ist benachbart zu der Außenseite 28 des Stapels 22 angeordnet.
  • Die Elementabschnitte 80 und 82 des Umreifungselements 78 münden jeweils an einen insbesondere schlaufenförmigen Elementabschnitt 84 bzw. 86. Die Elementabschnitte 84 und 86 erstrecken sich zumindest im Wesentlichen parallel zu der Stapelachse 24. Die Elementabschnitte 84 und 86 sind benachbart zu der Stapelseite 32 angeordnet.
  • Der Generator 10 umfasst ferner zwei Spanneinrichtungen 88, die jeweils einer Verbindungseinrichtung 76 zugeordnet sind.
  • Die Spanneinrichtungen 88 umfassen jeweils ein sich im Wesentlichen parallel zu der Stapelachse 24 erstreckendes Zugglied 90, insbesondere in Form einer Schraube. Das Zugglied 90 durchsetzt an gegenüberliegenden Enden jeweils ein in Form eines Bolzens ausgebildetes Zwischenelement 92, 94. Das Zugglied 90 weist ein Kopfteil 96 auf, das sich an einer abgeflachten Oberseite des Zwischenelements 92 abstützt. Das Zugglied 90 ist ferner mit einem in Form einer Schraubenmutter ausgebildeten Gegenstück 98 verschraubt, welches sich an einer abgeflachten Unterseite des Zwischenelements 94 abstützt.
  • Die schlaufenförmigen Elementabschnitte 84, 86 weisen jeweils zwei zueinander beabstandete Aufnahmen 100 und 102 auf. Die Aufnahmen 100 und 102 umschließen jeweils ein Zwischenelement 92, 94.
  • Mit Hilfe der Spanneinrichtungen 88 können die bandförmigen Umreifungselemente 78 der Verbindungseinrichtungen 76 mit einer Zugspannung beaufschlagt werden. Hierfür werden das Zugglied 90 und das Gegenstück 98 so zueinander verdreht, dass sich der Abstand zwischen dem Gegenstück 98 und dem Kopfteil 96 des Zugglieds 90 verkürzt. Auf diese Weise verkürzt sich auch der Abstand zwischen den Zwischenelementen 92 und 94. Hierdurch wiederum werden die Aufnahmen 100, 102 und somit die Elementabschnitte 84 und 86 aufeinander zu bewegt, so dass das Umreifungselement 78 mit Zugspannung beaufschlagt wird. Hierdurch verkürzt sich der Abstand zwischen den Elementabschnitten 80 und 82, so dass eine parallel zu der Stapelachse 24 wirkende Druckkraft auf den Stapel 22 ausgeübt wird. Diese Druckkraft drückt die Wärmequellen 12, 14, die Wärmesenken 16, 18, 20 und die thermoelektrischen Module 70 gegeneinander.
  • Die Verbindungseinrichtung 76 umfasst ferner jeweils eine Ausgleichseinrichtung 104 zum Ausgleich thermisch bedingter Maßänderungen des Stapels 22 und/oder zur Erzeugung einer definierten Vorspannung des Stapels 22. Die Ausgleichseinrichtungen 104 weisen jeweils ein vorzugsweise flaches Federelement 106 auf. Die Federelemente 106 erstrecken sich senkrecht zu der Stapelachse 24. Die Federelemente 106 erstrecken sich insbesondere über die Breite des Stapels 22 zwischen den Stapelseiten 30 und 32. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Federelemente 106 zwischen zwei verrundeten Übergängen 46 des Stapels 22. Bei einer in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform erstrecken sich die Federelemente 106 bis hin zu den Stapelseiten 30 und 32, wobei die Federelemente 106 im Bereich der Übergänge 46 des Stapels 22 entsprechend verrundet sind.
  • Die Federelemente 106 sind zwischen dem zentralen Elementabschnitt 80 eines Umreifungselements 78 und der Außenseite 26 des Stapels 22 angeordnet. Die Federelemente 106 weisen eine dem Elementabschnitt 80 zugewandte, konkav gekrümmte Außenfläche 108 auf. Die Federelemente 106 weisen ferner eine der Außenseite 26 des Stapels 22 zugewandte, konvex gekrümmte Innenfläche 110 auf. Durch die Krümmung der Flächen 108, 110 der Federelemente 106 können die Druckkräfte, welche die Elementabschnitte 80 der Verbindungseinrichtungen 76 auf den Stapel 22 ausüben, über die Breite des Stapels 22 gesehen vergleichmäßigt werden. Insbesondere können Kraftspitzen in zu den Übergängen 46 benachbarten Bereichen vermieden werden. Außerdem können stapelmittig wirkende Druckkräfte erhöht werden.
  • Während des Betriebs des Generators 10 werden die Strömungskanäle 48 und 50 der Wärmequellen 12 und 14 mit einem heißen Fluid durchströmt. Die in dem Fluid enthaltene Wärme wird in die bodenseitigen und deckenseitigen Begrenzungen 52 und 54 der Wärmequellen 12, 14 eingeleitet und benachbarten thermoelektrischen Modulen 70 zugeführt.
  • Die Strömungskanäle 58, 60 und 62 der Wärmesenken 16, 18, 20 sind mit einem Kühlfluid durchströmt, welches einen durch die thermoelektrischen Module 70 geleiteten Wärmestrom aufnimmt. Auf diese Weise erzeugen die thermoelektrischen Module 70 eine an den elektrischen Anschlüssen 72, 74 abgreifbare Spannung. Mit Hilfe der Verbindungseinrichtungen 76 und mit Hilfe der Spanneinrichtungen 88 ist gewährleistet, dass die thermoelektrischen Module 70 in einem guten Wärmekontakt zu jeweils einer Wärmequelle 12, 14 und einer Wärmesenke 16, 18, 20 stehen.
  • Zur Montage des Generators 10 werden die einzelnen Wärmequellen 12, 14, die einzelnen Wärmesenken 16, 18, 20 jeweils unter Zwischenlage mindestens eines thermoelektrischen Moduls 70 entlang der Stapelachse 24 gesehen einander abwechselnd angeordnet. Auf diese Weise wird ein Stapel 22 gebildet.
  • Anschließend wird ein bandförmiges Umreifungselement 78 um den Stapel 22 gelegt. Danach wird die Spanneinrichtungen 88 betätigt, so dass die Umreifungselemente 78 mit Zugspannung beaufschlagt werden und eine zu der Stapelachse 24 parallele Druckkraft erzeugt wird.
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Umreifungselemente 78 in einem ungespannten Zustand um den Stapel 22 herum gelegt werden und wenn mit Hilfe einer in der Zeichnung nicht dargestellten externen Hilfseinrichtung, beispielsweise einer Presse, der Stapel 22 in zu der Stapelachse 24 paralleler Richtung zusammengedrückt wird. Von diesem Zustand ausgehend können dann die Spanneinrichtungen 88 betätigt werden, bis die Umreifungselemente 78 mit einer Zugspannung beaufschlagt sind und eine Druckkraft auf den Stapel 22 ausüben. Anschließend kann dann die durch die Hilfseinrichtung erzeugte Spannkraft aufgehoben werden.
  • Bei einer alternativen, in der Zeichnung nicht dargestellten Ausführungsform eines Generators 10 weist eine Verbindungseinrichtung 76 zwei insbesondere bandförmige Umreifungselemente 78 auf. Diese weisen jeweils einen sich quer zu der Stapelachse 24 erstreckenden ersten Elementabschnitt 80 bzw. 82 auf, an die sich jeweils auf gegenüberliegenden Stapelseiten 30, 32 angeordnete zweite Elementabschnitte 84, 86 anschließen. Zwei Elementabschnitte 84, 86 unterschiedlicher Umreifungselemente 78 können jeweils mit Hilfe einer Spanneinrichtung 88 miteinander verbunden werden, so dass bei dieser Ausführungsform für jede Verbindungseinrichtung 76 zwei Spanneinrichtungen 88 eingesetzt werden. Diese Spanneinrichtungen 88 sind vorzugsweise benachbart zu der Stapelseite 32 (siehe 1) und benachbart zu der Stapelseite 30 angeordnet.
  • In 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Plattenelements 112 dargestellt, welches sowohl für eine Wärmequelle 12, 14 als auch für eine Wärmesenke 16, 18, 20 genutzt werden kann. Das Plattenelement 112 weist sich quer zu der Stapelachse 24 erstreckende bodenseitige Begrenzungen 52, 64 sowie zwei hierzu gegenüberliegend angeordnete deckenseitige Begrenzungen 54, 66 auf. Seitlich ist das Plattenelement 112 durch Begrenzungen 56, 68 begrenzt.
  • Das Plattenelement 112 umfasst eine Mehrzahl von Versteifungseinrichtungen 114, die jeweils in Form von Rippen 116 ausgebildet sind. Die Versteifungseinrichtungen 114 erstrecken sich von der bodenseitigen Begrenzung 52, 64 bis hin zu der gegenüberliegenden Begrenzung 54, 66 des Plattenelements 112. Mit Hilfe der rippenförmigen Versteifungseinrichtungen 114 wird das Plattenelement 112 in zu der Stapelachse 24 paralleler Richtung versteift. Darüber hinaus unterteilen die Rippen 116 das Plattenelement 112 in eine Vielzahl von Kammern 118, welche gemeinsam einen Strömungskanal 48, 60 bilden. Vorzugsweise ist das Plattenelement 112 in einem Extrusionsverfahren hergestellt.
  • In 3 ist eine weiteres Ausführungsbeispiel eines Plattenelements 120 dargestellt, welches ebenfalls zur Verwendung bei einer Wärmequelle 12, 14 und zur Verwendung bei einer Wärmesenke 16, 18, 20 geeignet ist.
  • Das Plattenelement 120 bildet einen sich parallel zu einer Generatorachse 34 erstreckenden Strömungskanal 48, 60. Der Strömungskanal 48, 60 ist seitlich begrenzt durch Begrenzungen 56, 68.
  • In dem Strömungskanal 48, 60 sind mehrere, in Form von Rippen 116 ausgebildete Versteifungseinrichtungen 114 angeordnet. Diese erstrecken sich jeweils parallel zu der Generatorachse 34. Entlang der Generatorachse 34 gesehen sind mehrere, relativ zueinander versetzt angeordnete Reihen von Rippen 116 vorgesehen, welche eine OSF-Struktur ("Offset Strip Fin") bilden.
  • Die Versteifungseinrichtungen 114 des Plattenelements 120 erstrecken sich ebenfalls in einer senkrecht zur Zeichenebene anliegenden Stapelachse 24 gesehen von einer bodenseitigen Begrenzung 52, 64 des Strömungskanals 48, 60 bis hin zu einer deckenseitigen Begrenzung.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines thermoelektrischen Generators 8 dargestellt. Der Generator 8 umfasst ebenfalls einen Stapel 22, der aus einer Mehrzahl von entlang einer Stapelachse 24 gesehen einander abwechselnd angeordneten Wärmequellen 12, 13, 14 und Wärmesenken 16, 17, 18, 20 gebildet ist. Zwischen den Wärmequellen 12, 13, 14 und den Wärmesenken 16, 17, 18, 20 sind jeweils Schichten mit elektrischen Module 70 angeordnet.
  • Der Generator 8 weist einen zu dem vorstehend unter Bezugnahme insbesondere auf 1 beschriebenen Generator 10 vergleichbaren Aufbau auf. Insofern wird auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen.
  • Der in 4 dargestellte Generator 8 weist einen Fluidverteiler 122 auf. Während des Betriebs des Generators 8 wird ein wärmeabgebendes Fluid in den Fluidverteiler 122 eingeleitet und von dort aus jeweils einem Strömungskanal einer Wärmequelle 12, 13, 14 zugeführt.
  • Der Generator 8 weist eine Mehrzahl von entlang der Generatorachse 34 gesehen hintereinander angeordneten Verbindungseinrichtungen 76 auf. Diese umfassen jeweils ein umfangsseitig geschlossenes Umreifungselement 78. Die Umreifungselemente 78 sind insbesondere bandförmig.
  • Die Umreifungselemente 78 weisen jeweils benachbart zu Stapelseiten 30, 32 angeordnete Elementabschnitte 84 auf. An diese schließen sich auf einer Stapelunterseite Elementabschnitte 82 und auf einer Stapeloberseite Elementabschnitte 80 an.
  • Die Elementabschnitte 80 weisen sich überlappende endseitige Bandabschnitte 124, 126 auf. Diese Bandabschnitte sind vorzugsweise miteinander verschweißt.
  • In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines dort mit dem Bezugszeichen 128 bezeichneten Federelements dargestellt. Dieses Federelement kann beispielsweise bei einem thermoelektrischen Generator 10 (siehe 1) anstelle des bereits beschriebenen Federelements 106 verwendet werden und zwischen einem Stapel 22 und mindestens einem Umreifungselement 78 angeordnet werden.
  • Das Federelement 128 weist eine bei Montage an einem Stapel 22 eines thermoelektrischen Generators 10 nach außen weisende Außenfläche 108 sowie eine in Richtung auf den Stapel 22 weisende Innenfläche 110 auf. Die Flächen 108 und 110 verlaufen vorzugsweise zumindest annähernd parallel zueinander.
  • Das Federelement 128 weist einen ersten Abschnitt 130 auf. Ferner weist das Federelement 128 mindestens einen weiteren, sich an den ersten Abschnitt anschließenden Abschnitt 132 auf. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zentral angeordneter Abschnitt 130 vorgesehen, an den sich zwei außen angeordnete Abschnitte 132 anschließen.
  • Bei Montage des Federelements 128 an einem Stapel 22 liegt die Innenfläche 110 in dem Abschnitt 130 flächig an der Außenseite des Stapels 22 an. Hierdurch wird eine besonders einfache Montage des Federelements 128 erreicht. In den Abschnitten 132 des Federelements 128 ist die Innenfläche 110 zu der Außenseite des Stapels 22 beabstandet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - GB 2411766 A [0004]

Claims (50)

  1. Thermoelektrischer Generator (8, 10), umfassend mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20), mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14), mindestens ein thermoelektrisches Modul (70) und mindestens eine Verbindungseinrichtung (76) zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke (16, 17, 18, 20), der mindestens einen Wärmequelle (12, 13, 14) und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls (70), wobei die mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20) und die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) parallel zueinander und entlang einer Stapelachse (24) gesehen einander abwechselnd angeordnet sind und gemeinsam einen Stapel (22) bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke (16, 17, 18, 20) und einer Wärmequelle (12, 13, 14) mindestens ein thermoelektrisches Modul (70) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (76) mindestens ein unter Zugspannung stehendes Umreifungselement (78) umfasst, welches den Stapel (22) zumindest abschnittsweise umschließt und eine zu der Stapelachse (24) zumindest annähernd parallel gerichtete Druckkraft auf den Stapel (22) ausübt.
  2. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Wärmequellen (12, 13, 14).
  3. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Wärmesenken (16, 17, 18, 20).
  4. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei auf einander gegenüberliegenden Außenseiten (26, 28) des Generators (8, 10) angeordnete Wärmesenken (16, 17, 18, 20).
  5. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei auf einander gegenüberliegenden Außenseiten (26, 28) des Generators (8, 10) angeordnete Wärmequellen (12, 13, 14).
  6. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) mindestens einen Strömungskanal (48, 50) zur Durchströmung mit einem wärmeabgebenden Fluid aufweist.
  7. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20) mindestens einen Strömungskanal (58, 60, 62) zur Durchströmung mit einem wärmeaufnehmenden Fluid aufweist.
  8. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Strömungskanal (48, 50, 58, 60, 62) im Querschnitt rechteckförmig oder einer Rechteckform angenähert ist.
  9. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) und/oder die mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20) mindestens eine Versteifungseinrichtung (114) aufweist, welche in dem mindestens einen Strömungskanal (48, 50, 58, 60, 62) angeordnet ist und sich in einer zu der Stapelachse (24) parallelen Richtung zwischen einander gegenüberliegenden Begrenzungen (52, 54; 64, 66) des Strömungskanals (48, 50, 58, 60, 62) erstreckt.
  10. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Versteifungseinrichtung (114) in Form einer Rippe (116) ausgebildet ist.
  11. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) bandförmig ist.
  12. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) in einem quer zur Richtung der Zugspannung anliegenden Materialquerschnitt rechteckförmig oder annähernd rechteckförmig ist.
  13. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) in einem quer zur Richtung der Zugspannung anliegenden Materialquerschnitt kreisförmig oder oval ist.
  14. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) in einem quer zur Richtung der Zugspannung anliegenden Materialquerschnitt ein Höhen-Breiten-Verhältnis von 1 zu 5 oder ein kleineres Höhen-Breiten-Verhältnis aufweist.
  15. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) aus einem federelastischen Material hergestellt ist.
  16. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) aus einem Metall hergestellt ist.
  17. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) aus einem Federstahl hergestellt ist.
  18. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) umfangsseitig geschlossen ist.
  19. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) mindestens zwei sich zueinander zumindest annähernd senkrecht erstreckende Elementabschnitte (80, 84; 82, 86) umfasst.
  20. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Umreifungselement (78) mindestens einen sich quer zu der Stapelachse (24) erstreckenden ersten Elementabschnitt (80, 82) und mindestens einen sich zumindest annähernd parallel zu der Stapelachse (24) erstreckenden zweiten Elementabschnitt (84, 86) umfasst.
  21. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Spanneinrichtung (88) zur Beaufschlagung des mindestens einen Umreifungselements (78) mit einer Zugspannung.
  22. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen Spanneinrichtung (88) die Relativposition von zwei Elementabschnitten (84, 86) des mindestens einen Umreifungselements (78) oder unterschiedlicher Umreifungselemente einstellbar ist.
  23. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen Spanneinrichtung (88) die zwei Elementabschnitte (84, 86) des mindestens einen Umreifungselements (78) oder unterschiedlicher Umreifungselemente miteinander verbunden sind.
  24. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spanneinrichtung (88) benachbart zu einer zu der Stapelachse (24) parallelen Stapelseite (30, 32) des Stapels (22) angeordnet ist.
  25. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (76) mindestens zwei Spanneinrichtungen (88) umfasst.
  26. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Spanneinrichtungen (88) auf einander gegenüberliegenden, zur Stapelachse (24) parallelen Stapelseiten (30, 32) des Stapels (22) angeordnet sind.
  27. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der mindestens einen Spanneinrichtung (88) eine Zugkraft erzeugbar ist, welche zumindest annähernd parallel zu der Stapelachse (24) ist.
  28. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (88) mindestens ein sich zumindest annähernd parallel zur Stapelachse (24) erstreckendes Zugglied (90) umfasst.
  29. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugglied (90) in Form einer Schraube ausgebildet ist.
  30. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 28 oder 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Zugglied (90) in Form einer Dehnschraube ausgebildet ist.
  31. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass die Spanneinrichtung (88) mindestens ein Zwischenelement (92, 94) zur Verbindung des Zugglieds (90) mit einem Elementabschnitt (84, 86) des mindestens einen Umreifungselements (78) umfasst.
  32. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenelement (92, 94) in Form eines Bolzens ausgebildet ist.
  33. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 21 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spanneinrichtung (88) aus einem Federstahl hergestellt ist.
  34. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (76) mindestens eine Ausgleichseinrichtung (104) zum Ausgleich thermisch bedingter Maßänderungen des Stapels (22) umfasst.
  35. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinrichtung (104) mindestens ein Federelement (106, 128) umfasst.
  36. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (106, 128) zwischen einem Elementabschnitt (80, 82) des mindestens einen Umreifungselements (78) einerseits und zwischen einer Wärmequelle (12, 13, 14) oder einer Wärmesenke (16, 17, 18, 20) andererseits angeordnet ist.
  37. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 35 oder 36, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (106) eine dem Umreifungselement (78) zugewandte konkav gekrümmte Außenfläche (108) aufweist.
  38. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 35 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement (106) eine der Wärmequelle (12, 13, 14) oder der Wärmesenke (16, 17, 18, 20) zugewandte konvex gekrümmte Innenfläche (110) aufweist.
  39. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 35 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Federelement entlang einer zu der Stapelachse (24) parallelen Richtung mit mindestens einem thermoelektrischen Modul (70) fluchtend angeordnet ist.
  40. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 35 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des mindestens einen Federelements (106) eine zu der Druckkraft parallele, entgegengesetzt gerichtete Federkraft erzeugbar ist.
  41. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, dass die Federkraft und die Druckkraft zueinander koaxial sind.
  42. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der Ansprüche 34 bis 41, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausgleichseinrichtung (104) einen verformbaren Druckspeicher mit einem gasförmigen oder flüssigen Medium umfasst.
  43. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen (76).
  44. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels einer Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen (76) auf einen Stapel (22) ausgeübten Druckkräfte zumindest annähernd identisch sind.
  45. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach Anspruch 43 oder 44, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels einer Mehrzahl von Verbindungseinrichtungen (76) auf einen Stapel (22) ausgeübten Druckkräfte unterschiedlich hoch sind.
  46. Thermoelektrischer Generator (8, 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (8, 10) eine Mehrzahl von Stapeln (22) umfasst.
  47. Thermoelektrischer Generator (8) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) durch ein Abgassystem einer diskontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet ist.
  48. Thermoelektrischer Generator (8) nach einem Ansprüche 1 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) durch ein Abgassystem einer kontinuierlich arbeitenden Verbrennungseinrichtung gebildet ist.
  49. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators (10), umfassend mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20), mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14), mindestens ein thermoelektrisches Modul (70) und mindestens eine Verbindungseinrichtung (76) zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke (16, 17, 18, 20), der mindestens einen Wärmequelle (12, 13, 14) und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls (70), wobei die mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20) und die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) parallel zueinander und entlang einer Stapelachse (24) gesehen einander abwechselnd angeordnet werden, um einen Stapel (22) zu bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke (16, 17, 18, 20) und einer Wärmequelle (12, 13, 14) mindestens ein thermoelektrisches Modul (70) angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapel (22) mittels einer externen Hilfseinrichtung einer zumindest annähernd parallel zur Stapelachse (24) wirkenden Spannkraft ausgesetzt wird, dass während des Wirkens der Spannkraft ein Umreifungselement (78) in eine Lage gebracht wird, in der es den Stapel (22) zumindest abschnittsweise umschließt, dass anschließend das Umreifungselement (78) mit einer Zugspannung beaufschlagt wird und dass nach der Beaufschlagung des Umreifungselements (78) mit der Zugspannung die mittels der Hilfseinrichtung erzeugte Spannkraft aufgehoben wird.
  50. Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Generators (8), umfassend mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20), mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14), mindestens ein thermoelektrisches Modul (70) und mindestens eine Verbindungseinrichtung (76) zur Verbindung der mindestens einen Wärmesenke (16, 17, 18, 20), der mindestens einen Wärmequelle (12, 13, 14) und des mindestens einen thermoelektrischen Moduls (70), wobei die mindestens eine Wärmesenke (16, 17, 18, 20) und die mindestens eine Wärmequelle (12, 13, 14) parallel zueinander und entlang einer Stapelachse (24) gesehen einander abwechselnd angeordnet werden, um einen Stapel (22) zu bilden, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke (16, 17, 18, 20) und einer Wärmequelle (12, 13, 14) mindestens ein thermoelektrisches Modul (70) an geordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein umfangsseitig geschlossenes Umreifungselement (78) und/oder der Stapel (22) derart erwärmt und/oder abgekühlt werden, dass das Umreifungselement (78) eine höhere Temperatur als der Stapel (22) aufweist, dass das Umreifungselement (78) in eine Lage gebracht wird, in der es den Stapel (22) zumindest abschnittsweise umschließt, und dass anschließend die Temperaturen des Umreifungselements (78) und des Stapels (22) einander angeglichen werden.
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