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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend ein Gehäuse und mindestens eine Kombination mit den Komponenten erster Kaltwärmeübertrager, zweiter Kaltwärmeübertrager, erste thermoelektrische Lage, zweite thermoelektrische Lage und Heißwärmeübertrager, wobei in der mindestens einen Kombination der Heißwärmeübertrager zwischen der ersten thermoelektrischen Lage und der zweiten thermoelektrischen Lage angeordnet ist, der erste Kaltwärmeübertrager an der ersten thermoelektrischen Lage und der zweite Kaltwärmeübertrager an der zweiten thermoelektrischen Lage angeordnet ist, und wobei die mindestens eine Kombination in dem Gehäuse positioniert ist.
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Aus der
DE 10 2010 042 603 A1 ist eine thermoelektrische Generatorvorrichtung bekannt, umfassend ein fluiddichtes erstes Gehäuse, mindestens ein fluiddichtes zweites Gehäuse, welches an dem ersten Gehäuse angeordnet ist, wobei zwischen dem ersten Gehäuse und dem mindestens einen zweiten Gehäuse ein erster Mediumstrom geführt ist, ein fluiddichtes drittes Gehäuse, welches an dem mindestens einen zweiten Gehäuse angeordnet ist, wobei in dem dritten Gehäuse ein zweiter Mediumstrom geführt ist, und mindestens ein thermoelektrisches Modul, welches zwischen dem mindestens einen zweiten Gehäuse und dem dritten Gehäuse angeordnet ist und mit einer ersten Seite in thermischem Kontakt mit dem zweiten Gehäuse steht und mit einer zweiten Seite in thermischem Kontakt mit dem dritten Gehäuse steht.
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Aus der
DE 10 2007 063 171 A1 ist ein thermoelektrischer Generator mit mindestens einem thermoelektrischen Modul bekannt, wobei eine Verbindungseinrichtung vorgesehen ist, durch welche eine quer zu mindestens einer Anlagefläche eines thermoelektrischen Moduls gerichtete Spannkraft erzeugbar ist.
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Aus der
DE 10 2007 063 173 A1 ist ein thermoelektrischer Generator mit mindestens einer Wärmesenke, mit mindestens einer Wärmequelle, wobei die Summe der Anzahl von Wärmesenken und der Anzahl von Wärmequellen wenigstens drei beträgt, wobei die mindestens eine Wärmequelle mindestens einen Strömungskanal zur Durchströmung mit einem Fluid aufweist, und mit mindestens zwei thermoelektrischen Modulen, wobei jeweils zwischen einer Wärmesenke und einer Wärmequelle mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist, bekannt.
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Aus der
DE 10 2007 063 196 A1 ist ein thermoelektrischer Generator mit einer Verbindungseinrichtung bekannt, welche mindestens ein unter Zugspannung stehendes Umgreifungselement umfasst, welches einen Stapel zumindest abschnittsweise umschließt und einen zu der Stapelachse zumindest annähernd parallel gerichtete Druckkraft auf den Stapel ausübt.
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Aus der
DE 10 2009 013 535 A1 ist eine thermoelektrische Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme bekannt, welche eine Haltestruktur aufweist, die zur Führung eines warmen und eines kalten Mediums und zur Halterung eines thermoelektrischen Moduls ausgebildet ist.
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Aus der
DE 10 2008 005 334 A1 ist ein thermoelektrischer Generator für einen Abgasstrom bekannt, der an einem Abgaskanal angeschlossen ist, wobei zumindest ein thermoelektrisches Wandlerelement angeordnet ist, welches thermische Energie in elektrische Energie umwandelt und ein Wärmetauscherelement, welches zumindest teilweise an einer Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements und zumindest teilweise im Abgaskanal angeordnet ist, wobei zumindest ein Heatpipe im Abgaskanal angeordnet ist, welches die thermische Energie des Abgasstroms zur Oberfläche des thermoelektrischen Wandlerelements leitet.
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Aus der
DE 10 2010 001 417 A1 ist ein Wärmetauscher für thermoelektrische Generatoren bekannt, welcher mindestens zwei Kanäle für ein Kühlmedium und mindestens einen Kanal für ein Heizmedium aufweist, wobei der mindestens eine Kanal für das Heizmedium im Innenbereich mit Rippen bestückt ist.
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Aus der
KR 20120112185 ist eine thermoelektrische Wandlungseinheit und ein Herstellungsverfahren bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Generatorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten thermoelektrischen Generatorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine erste Innenseite einer ersten Wand des Gehäuses in direktem flächigen mechanischen Kontakt mit dem ersten Kaltwärmeübertrager der mindestens einen Kombination steht oder die erste Wand eine Wandung des ersten Kaltwärmeübertragers ausbildet, dass eine der ersten Innenseite gegenüberliegende zweite Innenseite einer zweiten Wand des Gehäuses in direktem flächigen mechanischen Kontakt mit dem zweiten Kaltwärmeübertrager der mindestens einen Kombination oder einer weiteren Kombination steht oder eine Wandung des zweiten Kaltwärmeübertragers ausbildet, und dass das Gehäuse durch Formschluss mindestens bei einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung einen Anpressdruck bereitstellt, welcher die Komponenten der mindestens einen Kombination gegeneinander verspannt und in dem Gehäuse einspannt.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind parasitäre Wärmeströme minimiert, da kein Durchströmungsraum zwischen dem Gehäuse und dem ersten Kaltwärmeübertrager und dem zweiten Kaltwärmeübertrager (welche partielle Kaltwärmeübertrager sind) vorhanden ist.
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Eine Fixierung der Kombination beziehungsweise deren Komponenten in dem Gehäuse erfolgt über thermomechanische Spannungen. Vorzugsweise liegt bereits beim Nichtbetrieb ("kalter Zustand") ein formschlüssiges Gehäuse vor.
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Die thermische Ausdehnung insbesondere des Heißwärmeübertragers im Betrieb sorgt für die thermomechanischen Kräfte. Es müssen keine zusätzlichen Verspannungselemente wie Schrauben, Klammern und dergleichen vorgesehen werden. Dieser Anpressdruck lässt sich zumindest im Betriebspunkt beziehungsweise Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung, in welchem diese für den Betrieb vorgesehen ist, mit flächenmäßig hoher Gleichmäßigkeit erzeugen. Dadurch ergibt sich ein effektiver Wärmeübertrag und damit wiederum eine effektive thermoelektrische Energiewandlung mit resultierendem hohen Wirkungsgrad.
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Beispielsweise baut sich beim Hochfahren der thermoelektrischen Generatorvorrichtung dieser Anpressdruck auf und verringert sich nicht. Beim Hochfahren der thermoelektrischen Generatorvorrichtung wird durch den Aufbau des Anpressdrucks der thermische Kontakt zwischen den Komponenten verbessert und es wird ein effektiver Wärmeübergang zwischen den Komponenten erreicht.
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Die thermoelektrische Generatorvorrichtung lässt sich auf einfache Weise herstellen, da beispielsweise bei der Herstellung keine Vorspannung zum Zusammenhalten der Komponenten und höchstens eine Vorspannung zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen erzeugt werden muss.
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Durch den Anpressdruck lässt sich ein effektiver Wärmeübergang von dem Heißwärmeübertrager auf die erste thermoelektrische Lage und die zweite thermoelektrische Lage erreichen und es lässt sich ein effektiver Wärmeübergang von der ersten thermoelektrischen Lage auf den ersten Kaltwärmeübertrager und von der zweiten thermoelektrischen Lage auf den zweiten Kaltwärmeübertrager erreichen. Es ergibt sich damit eine hohe Funktionsintegration für die thermoelektrische Generatorvorrichtung.
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Die thermoelektrische Generatorvorrichtung lässt sich mit relativ geringem Gewicht ausbilden.
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Günstig ist es, wenn die erste Innenseite mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eben ausgebildet ist. Dadurch lässt sich ein effektiver Wärmeübergang erreichen.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn die zweite Innenseite mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eben ausgebildet ist.
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Ferner ist es bezüglich des Wärmeübergangs von dem Heißwärmeübertrager in die erste thermoelektrische Lage günstig, wenn eine erste Seite des Heißwärmeübertragers mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eben ausgebildet ist.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine der ersten Seite gegenüberliegende zweite Seite des Heißwärmeübertragers, welche der zweiten thermoelektrischen Lagezugewandt ist, mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eben ausgebildet ist.
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Ferner ist es für einen effektiven Wärmeübergang zwischen dem ersten Kaltwärmeübertrager und der ersten thermoelektrischen Lage günstig, wenn eine der ersten thermoelektrischen Lage zugewandte Seite des ersten Kaltwärmeübertragers mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eben ausgebildet ist.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine der zweiten thermoelektrischen Lage zugewandte Seite des zweiten Kaltwärmeübertragers mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung eben ausgebildet ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind in dem Gehäuse eine Mehrzahl von Kombinationen angeordnet, wobei benachbarte Kombinationen einen gemeinsamen Kaltwärmeübertrager aufweisen, wobei der zweite Kaltwärmeübertrager einer Kombination der erste Kaltwärmeübertrager einer benachbarten Kombination ist. Dadurch ergibt sich ein effektiver Stapelaufbau, wobei die elektrische Leistung durch eine Mehrzahl von Kombinationen erhöhbar ist.
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Insbesondere sind der erste Kaltwärmeübertrager und der zweite Kaltwärmeübertrager fluiddicht zur Durchströmung von Kaltmedium ausgebildet. Dadurch lässt sich eine effektive Wärmeabführung und damit ein effektiver Wärmestrom über die erste thermoelektrische Lage und zweite thermoelektrische Lage erzeugen. Die fluiddichte Ausbildung kann dabei dadurch erreicht sein, dass der Kaltwärmeübertrager ein geschlossenes Gehäuse aufweist, oder dass das Gehäuse der thermoelektrischen Generatorvorrichtung selber zur Ausbildung eines fluiddichten Durchströmungsraums beiträgt.
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Es ist ferner günstig, wenn der Heißwärmeübertrager fluiddichte zur Durchströmung eines Heißmediums ausgebildet ist und ein Heißwärmeübertrager-Gehäuse aufweist, in welchem ein Durchströmungsraum gebildet ist. Dadurch lässt sich effektiv Wärme einkoppeln.
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Insbesondere nimmt das Gehäuse die mindestens eine Kombination vollständig auf und kapselt diese. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise ein Formschluss mindestens in einer Stapelrichtung von Komponenten der mindestens einen Kombination erreichen. Es lässt sich dadurch ein homogen (flächenmäßig) gleichmäßiger Anpressdruck aufbauen.
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Es ist dann günstig, wenn die erste Innenseite und die zweite Innenseite mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung parallel zueinander sind. Dadurch wird ein guter Wärmekontakt erreicht.
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Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine Hauptströmungsrichtung in dem ersten Kaltwärmeübertrager und/oder dem zweiten Kaltwärmeübertrager (dann des Kaltmediums) und/oder dem Heißwärmeübertrager (dann des Heißmediums) mindestens in einem Betriebspunkt oder in einem Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung parallel zu der ersten Innenseite und der zweiten Innenseite orientiert sind. Es ergibt sich dadurch eine effektive Wärmeübertragung.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Anpressdruck im Wesentlichen durch thermische Ausdehnung von mindestens einer Komponente und insbesondere des Heißwärmeübertragers der mindestens einen Kombination in Relation zu dem Gehäuse bereitgestellt ist. Dadurch lässt sich beispielsweise die thermische Generatorvorrichtung auf einfache Weise herstellen, da beim Zusammenbau keine Vorspannung zum Zusammenhalten der Vorrichtung notwendig ist. Ferner werden gesonderte Verspannungselemente wie Klammern, Schrauben usw. nicht benötigt. Grundsätzlich ist es bei der erfindungsgemäßen Lösung möglich, dass der Anpressdruck allein durch thermische Ausdehnung erzeugt wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass bereits bei der Herstellung eine Vorspannung eingebracht wird, welche zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen dient. Diese liefert dann einen Beitrag zu dem Anpressdruck. Dieser Beitrag ist zumindest bezogen auf den Betriebspunkt oder den Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Vorrichtung klein und beträgt insbesondere höchstens 20 % des gesamten Anpressdrucks. Grundsätzlich ist die genannte eingebrachte Vorspannung bei hoher Bauteilgüte mit geringen Toleranzen für die Funktion der erfindungsgemäßen Lösung nicht notwendig.
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Insbesondere sind bei einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung die mindestens eine Kombination und ihrer Komponenten im Wesentlichen durch Formschluss in dem Gehäuse fixiert, wobei das Gehäuse eine Beweglichkeit der mindestens einen Kombination und von Komponenten der mindestens einen Kombination sperrt. Dadurch lässt sich auf eine einfache Weise eine Fixierung der Komponenten realisieren. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es grundsätzlich möglich, dass die Komponenten allein durch Formschluss in dem Gehäuse fixiert sind. Es kann bei der Herstellung vorteilhaft sein, um Bauteiltoleranzen auszugleichen, wenn eine Vorspannung eingebracht wird. Diese Vorspannung ist jedoch zumindest bezogen auf den Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich klein gegenüber der Kraft, welche durch den Anpressdruck aufgrund thermomechanischer Spannungen erzeugt wird und beträgt insbesondere höchstens 20 % der wirkenden Gesamtkraft. Es ist insbesondere vorgesehen, dass auch im Nichtbetrieb (im "kalten Zustand") der thermoelektrischen Generatorvorrichtung das Gehäuse bereits einen Formschluss für die mindestens eine Kombination herstellt.
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Günstig ist es, wenn das Gehäuse quer zu der ersten Wand und der zweiten Wand liegend eine erste Querwand und eine (beabstandete) zweite Querwand aufweist, welche jeweils beabstandet zu der mindestens einen Kombination sind. Dadurch werden parasitäre Wärmeströme minimiert.
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Insbesondere ist in einem Zwischenraum zwischen der mindestens einen Kombination und der ersten Querwand und/oder der zweiten Querwand eine thermische Isolierung angeordnet. Die thermische Isolierung kann dabei durch Evakuierung des oder der Zwischenräume gebildet werden. Die Zwischenräume lassen sich mit geringem Volumen ausbilden, so dass der Herstellungsaufwand beispielsweise für eine Evakuierung minimiert ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse mehrteilig ausgebildet, wobei Teile miteinander verbunden sind und insbesondere miteinander verschweißt oder verlötet sind. Dadurch lässt sich die erfindungsgemäße thermoelektrische Generatorvorrichtung auf einfache Weise herstellen. Insbesondere lässt sie sich herstellen, ohne dass eine Vorspannung zum Zusammenhalt bei der Herstellung aufgebracht werden muss. (Eventuell wird eine Vorspannung zum Ausgleich von Bauteiltoleranzen aufgebracht, die aber erheblich kleiner ist als die zum Fixieren erforderliche Kraft.)
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist an einem Verbindungsbereich ein Überlappungsbereich zwischen verbundenen Teilen vorgesehen. Es wird dadurch eine größere Aufnahmefläche insbesondere für eine stoffschlüssige Verbindung bereitgestellt. Über einen Überlappungsbereich lässt sich die Verbindungsfläche mit ihrer Normalen quer zu einer Hauptkraftrichtung und insbesondere Stapelrichtung ausbilden.
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Günstig ist es, wenn eine einzige Einlassdurchbrechung und eine einzige Auslassdurchbrechung am Gehäuse für Kaltmedium und/oder höchstens ein elektrischer Anschluss am Gehäuse vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich eine minimale "Störung" bezüglich der Einkopplung und Auskopplung von Kaltmedium. Grundsätzlich muss für eine Einlassdurchbrechung beziehungsweise Auslassdurchbrechung oder auch für einen Anschluss am Gehäuse eine Vakuumdurchführung durch einen Zwischenraum zwischen der mindestens einen Kombination im Gehäuse vorgesehen werden. Der entsprechende Aufwand lässt sich minimieren, wenn jeweils nur eine einzige Durchbrechung für das Einführen beziehungsweise Ausführen von Kaltmedium und ein einziger elektrischer Anschluss vorgesehen sind.
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Bei einer Ausführungsform ist an dem Gehäuse dem ersten Kaltwärmeübertrager und/oder dem zweiten Kaltwärmeübertrager der mindestens einen Kombination oder einem zweiten Kaltwärmeübertrager einer weiteren Kombination zugeordnet eine Ausgleichstruktur angeordnet oder gebildet, welche in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung für eine gleichmäßige Anpressung sorgt, wobei die Ausgleichstruktur eine Federsteifigkeit für die erste Wand und/oder zweite Wand bereitstellt. Grundsätzlich kann an der ersten Wand und/oder der zweiten Wand im Betrieb beispielsweise durch eine ungleichmäßige Aufwölbung der ersten Wand beziehungsweise zweiten Wand ein variierender (ungleichmäßiger) Anpressdruck entstehen. Durch entsprechende Ausbildung der Ausgleichstruktur lässt sich eine solche ungleichmäßige Auswölbung "vergleichmäßigen", um so einen homogenen Anpressdruck zu erhalten. Die Ausgleichstruktur weist eine Federsteifigkeit auf beziehungsweise sorgt für eine solche, um entsprechende Kompensation bereitzustellen. Die genaue Ausbildung der Ausgleichstruktur hängt von der konkreten Ausbildung, den verwendeten Materialien und den vorliegenden Temperaturverhältnissen ab.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der Heißwärmeübertrager ein Heißwärmeübertrager-Gehäuse aufweist, in welchem eine durchströmbare Oberflächenvergrößerungs-Struktur angeordnet ist, wobei die Oberflächenvergrößerungs-Struktur mehrlagig ist. Die Oberflächenvergrößerungs-Struktur sorgt für einen erhöhten Wärmeübergang und erhöht damit den Wirkungsgrad. Durch eine mehrlagige Ausbildung wird die Knicksteifigkeit erhöht und damit die mechanische Steifigkeit des Heißwärmeübertragers erhöht. Dadurch wiederum lässt sich im Betriebspunkt oder im Betriebspunktsbereich ein flächenmäßig homogener Anpressdruck bereitstellen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist zwischen benachbarten Oberflächenvergrößerungs-Strukturlagen ein Zwischenelement und insbesondere eine Blechplatte angeordnet. Durch diese erfolgt eine weitere Oberflächenvergrößerung und es kann mehr Wärme durch Strahlung übertragen werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage als Rippenlage oder Drahtstrukturlage oder poröse Metallschaumlage ausgebildet.
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Eine Rippenlage ist beispielsweise als Blechstruktur und beispielsweise Faltstruktur oder Biegestruktur ausgebildet.
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Es ist günstig, wenn eine Rippendicke mindestens 2 % und insbesondere höchstens 1,9 % einer Höhe des Heißwärmeübertragers beträgt. Es ergibt sich dadurch bei geringem Gewicht ein erhöhter Wärmestrom. Durch die mehrlagige Ausbildung ergibt sich ein erhöhter Versteifungsgrad, so dass eine dünnere Ausbildung von Rippen möglich ist.
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Günstig ist es, wenn eine Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage einstückig ausgebildet ist. Sie kann auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei Teile zur einstückigen Ausbildung miteinander insbesondere stoffschlüssig verbunden sind.
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Insbesondere sind Oberflächenvergrößerungs-Strukturlagen gestapelt in dem Heißwärmeübertrager-Gehäuse angeordnet und stehen in thermischem Kontakt mit dem Heißwärmeübertrager-Gehäuse. Dadurch ergibt sich ein hoher Wärmestrom mit hoher mechanischer Steifigkeit des Heißwärmeübertragers, wodurch wiederum ein gleichmäßiger Anpressdruck bereitstellbar ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Träger für thermoelektrische Elemente der ersten thermoelektrischen Lage und/oder der zweiten thermoelektrischen Lage Bereiche mit einer ersten Steifigkeit auf und Bereiche mit einer zweiten Steifigkeit, wobei die zweite Steifigkeit kleiner ist als die erste Steifigkeit, und wobei thermoelektrische Elemente in Bereichen mit der ersten Steifigkeit angeordnet sind. Der Träger kann dabei einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein. Die thermoelektrischen Elemente sind beispielsweise Brücken zwischen n-Leiter und p-Leiter. Zwischen einer Heißseite und einer Kaltseite eines thermoelektrischen Moduls liegt ein Temperaturgradient. Dies kann zu einer Durchbiegung des Trägers führen. Um einen hohen thermischen Kontakt bereitzustellen, muss dieser Durchbiegung entgegengewirkt werden, beispielsweise durch eine entsprechend große Einspannkraft. Wenn der Träger in Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit aufgeteilt ist, dann kann eine Aufbiegung an kleineren Bereichen erfolgen, wobei diese Aufbiegung wiederum erheblich kleiner ist. Es wird dadurch insgesamt der thermische Kontakt verbessert beziehungsweise der Aufwand, dieser Aufbiegung entgegenzuwirken, wird verringert.
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Bei einer einfachen Ausführungsform sind die Bereiche mit zweiter Steifigkeit durch Schlitze im Träger gebildet, das heißt letztendlich sind die zweiten Bereiche dann materialfreie Bereiche.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung bereitgestellt, bei dem ein mehrteiliges Gehäuse mit mindestens zwei Gehäuseteilen bereitgestellt wird, mindestens eine Kombination in einem Innenraum des herzustellenden Gehäuses positioniert wird und die Gehäuseteile miteinander verbunden werden, wobei die Verbindung derart ist, dass mindestens bei einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung und die mindestens eine Kombination und deren Komponenten in dem hergestellten formschlüssigen Gehäuse aufgrund thermomechanischer Kräfte eingespannt sind oder werden.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Vorrichtung erläutert.
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Insbesondere werden Gehäuseteile durch Schweißen oder Löten miteinander verbunden.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass die Verbindung ohne Vorspannung hergestellt wird.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
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2 die thermoelektrische Generatorvorrichtung gemäß 1 und eine Explosionsdarstellung zur Erläuterung des Zusammenbaus der thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
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3 ein Ausführungsbeispiel für eine Verbindung (Detailansicht des Bereichs A);
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Verbindung;
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5 eine schematische perspektivische Teildarstellung der Generatorvorrichtung gemäß 1;
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6 eine weitere perspektivische Teildarstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung gemäß 1;
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7 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
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8 eine Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Heißwärmeübertragers;
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9 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Heißwärmeübertragers;
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10 eine Schnittansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines Heißwärmeübertragers;
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11 eine Schnittansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines Heißwärmeübertragers;
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12 schematisch einen Zusammenhang für die Dicke D eines Heißwärmeübertragers mit einer innenliegenden Rippenstruktur in Abhängigkeit von der Höhe H des Heißwärmeübertragers bei unterschiedlichen Abständen E von Rippen;
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13 schematisch Funktionskomponenten des Heißwärmeübertragers gemäß 1;
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14 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer thermoelektrischen Lage in einer Teildarstellung (Detailansicht B gemäß 2);
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15 eine Schnittansicht senkrecht zu einer Längsrichtung bei einem Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung (wobei der Schnitt senkrecht zu dem Schnitt gemäß 1 liegt); und
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16 eine Variante in der gleichen Ansicht wie 15. Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in den 1 bis 6 gezeigt ist und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst ein Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 nimmt eine Kombination 14 auf, welche folgende Komponenten hat: Einen ersten Kaltwärmeübertrager 16, eine erste thermoelektrische Lage 18, einen Heißwärmeübertrager 20, eine zweite thermoelektrische Lage 22, und einen zweiten Kaltwärmeübertrager 24.
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Die Kombination 14 ist als Sandwichstruktur aufgebaut. Der Heißwärmeübertrager 20 liegt zwischen der ersten thermoelektrischen Lage 18 und der zweiten thermoelektrischen Lage 22, wobei die erste thermoelektrische Lage 18 den Heißwärmeübertrager 20 thermisch kontaktiert, und die zweite thermoelektrische Lage 22 den Heißwärmeübertrager 20 thermisch kontaktiert. Diese Komponentenkombination aus erster thermoelektrischen Lage 18, Heißwärmeübertrager 20 und zweiter thermoelektrischen Lage 22 liegt wiederum zwischen dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 und dem zweiten Kaltwärmeübertrager 24. Der erste Kaltwärmeübertrager 16 kontaktiert thermisch die erste thermoelektrische Lage 18 und der zweite Kaltwärmeübertrager 24 kontaktiert thermisch die zweite thermoelektrische Lage 22.
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Der Heißwärmeübertrager 20 weist ein Heißwärmeübertrager-Gehäuse 26 auf. Dieses Heißwärmeübertrager-Gehäuse 26 hat eine erste Wand 28 und eine der ersten Wand 28 gegenüberliegende zweite Wand 30. Die erste Wand 28 und die zweite Wand 30 sind über beabstandete Querwände 32 und 34 miteinander verbunden. Zwischen der ersten Wand 28, der zweiten Wand 30 und den Querwänden 32, 34 ist in dem Heißwärmeübertrager-Gehäuse 26 ein Aufnahmeraum 36 gebildet.
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Die erste Wand 28 und die zweite Wand 30 liegen parallel zueinander. Die Querwand 32 und die Querwand 34 liegen ebenfalls parallel zueinander.
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Die erste Wand 28 und die zweite Wand 30 haben jeweils eine Außenseite 38a, 38b, welche eben ist. Die Außenseiten 38a, 38b sind dabei mindestens bei einem Betriebspunkt oder in einem Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10, bei welchem diese in einem normalen Betriebsbereich betrieben wird, wobei Heißmedium den Heißwärmeübertrager 20 durchströmt und Kaltmedium den ersten Kaltwärmeübertrager 16 und den zweiten Kaltwärmeübertrager 24 durchströmt, und an den thermoelektrischen Lagen 18, 22 nutzbarer elektrischer Strom erzeugt wird, eben ausgebildet.
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In dem Aufnahmeraum 36 ist eine Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 angeordnet, welche durchströmbar ist. Die Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 weist Durchströmungsräume und insbesondere Durchströmungskanäle 42 auf, welche von Heißmedium durchströmbar sind.
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Die Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 steht in thermischem Kontakt mit der ersten Wand 28 und der zweiten Wand 30. Die Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 ist aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Sie ist insbesondere aus einem metallischen Material hergestellt.
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Die Oberflächenvergrößerungs-Struktur ist mehrlagig ausgebildet. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel (vgl. auch 8) weist die Oberflächenvergrößerungs-Struktur eine erste Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage 44 und eine zweite Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage 46 auf.
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Diese erste Strukturlage 44 und die zweite Strukturlage 46 sind in Stapelbauweise angeordnet. Die erste Strukturlage 44 steht dabei in thermischem Kontakt mit der ersten Wand 28 und die zweite Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage 46 steht in thermischem Kontakt mit der zweiten Wand 30.
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Bei einem Ausführungsbeispiel (8) ist die Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 als Rippenstruktur 48 ausgebildet. Die erste Strukturlage 44 und die zweite Strukturlage 46 sind dabei jeweils insbesondere einstückig ausgebildet. Zwischen der ersten Strukturlage 44 und der zweiten Strukturlage 46 ist ein Zwischenelement 50 angeordnet, welches insbesondere eine Blechplatte ist.
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Die jeweilige erste Strukturlage 44 und die zweite Strukturlage 46 sind als Blechstruktur und insbesondere Blech-Faltstruktur ausgebildet. Die jeweilige erste Strukturlage 44 und die zweite Strukturlage 46 weisen beabstandete Rippen 52 auf, zwischen welchen die Durchströmungskanäle 42 gebildet sind.
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Es ist eine Art von Mäanderstruktur gebildet, wobei Brücken (Verbindungen) zwischen benachbarten Rippen 52 alternierend an dem Zwischenelement 50 und der ersten Wand 28 (die zweite Strukturlage 46) oder der zweiten Wand 30 (die erste Strukturlage 44) anliegen, um den thermischen Kontakt herzustellen.
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Die Rippen 52 der Rippenstruktur 48 sind dünn ausgebildet mit einer Dicke D (in 8 ist eine Teilansicht des Bereichs C gezeigt), welche insbesondere kleiner als mm ist.
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Insbesondere beträgt eine Dicke D der Rippen 52 höchstens 2 % und insbesondere höchstens 1,9 % und beispielsweise höchstens 1,7 % der Höhe H des Heißwärmeübertragers 20. Die Höhe H ist der Abstand zwischen der ersten Wand 28 und der zweiten Wand 30. In 12 ist ein schematisches Diagramm für die Dicke D von Rippen 52 in Abhängigkeit der Höhe H gezeigt, wobei die Daten im Diagramm berechnet wurden für einen Anpressdruck von 5 MPa und die Dicke D die erforderliche (Mindest-)Dicke der Rippen 52 ist um eine für diesen Druck benötigte Knicksteifigkeit am Heißwärmeübertrager 20 zu erhalten.
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Die Daten in 12 sind für unterschiedliche Abstände E (vgl. 8) von parallel beabstandeten Rippen 52 rechnerisch ermittelt.
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Durch die mehrlagige Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 lassen sich die Rippen 52 relativ dünn ausbilden. Dadurch kann die Wärmestromdichte am Heißwärmeübertrager 20 gesteigert werden.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40, welche in 9 schematisch gezeigt ist, sind die Strukturlagen 44 und 46 grundsätzlich gleich ausgebildet wie bei dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel, wobei kein Zwischenelement 50 vorhanden ist.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Oberflächenvergrößerungs-Struktur (10) ist eine Rippenstruktur 54 mit einer ersten Strukturlage 56 und einer zweiten Strukturlage 58 vorgesehen. Es ist wiederum ein Zwischenelement 60 zwischen der ersten Strukturlage 56 und der zweiten Strukturlage 58 vorgesehen. Rippen 62 dieser Rippenstruktur 54 liegen in einem spitzen Winkel zueinander. Entsprechende Durchströmungskanäle 42 sind dann nicht, wie bei dem Beispiel gemäß den 8 und 9, im Querschnitt quaderförmig, sondern trapez- oder dreiecksförmig.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 (11) ist diese als Metallschaum 64 ausgebildet. Es ist eine erste Strukturlage 66 und eine zweite Strukturlage 68 jeweils aus Metallschaum vorgesehen. Der Metallschaum 64 ist dabei offen porös, so dass er durchströmbar ist.
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Zwischen der ersten Strukturlage 66 und der zweiten Strukturlage 68 kann ein Zwischenelement 70 wie eine Blechplatte vorgesehen sein.
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Es ist auch möglich, dass die Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 mittels einer mehrlagigen Drahtstruktur ausgebildet ist, wobei diese Drahtstruktur durchströmbar ist.
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Der Heißwärmeübertrager 20 mit der mehrlagigen Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40, welche mindestens zweilagig ist, weist eine relativ hohe Knicksteifigkeit auf, wobei sich die hohe Knicksteifigkeit auch bei dünner Ausbildung beispielsweise von Rippen 52, 62 realisieren lässt. Es lässt sich dadurch wiederum im Betrieb eine hohe Wärmestromdichte realisieren.
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Durch die hohe Knicksteifigkeit auch des Heißwärmeübertragers 20 als Ganzem lässt sich bei einem Betrieb des Heißwärmeübertragers 20 und der daraus resultierenden thermischen Ausdehnung eine bezogen auf die Oberflächen der ersten Wand 28 und der zweiten Wand 30 gleichmäßige Druckkraft bereitstellen. Diese gleichmäßige Druckkraft lässt sich auch bereitstellen, wenn die Rippen 52, 62 eine relativ geringe Dicke von insbesondere höchstens 2 % der Höhe H des Heißwärmeübertragers 20 aufweisen.
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Der erste Kaltwärmeübertrager 16 weist ein Kaltwärmeübertrager-Gehäuse 72 auf, welches ein wannenförmiges Unterteil 74 umfasst. Eine erste Wand 76 des Gehäuses 27 deckt das Unterteil 74 ab. Zwischen dem Unterteil 74 und der ersten Wand 76 ist ein Aufnahmeraum 78 gebildet. Dieser Aufnahmeraum 78 ist durch Kältemedium durchströmbar.
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In dem Aufnahmeraum 78 ist eine durchströmbare oberflächenvergrößernde Struktur 80 und insbesondere Rippenstruktur angeordnet.
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Ein Boden 82 des Unterteils 74 ist mindestens in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 eben ausgebildet. Die erste Wand 76 liegt dem Boden 82 gegenüber, wobei eine erste Innenseite 84 der ersten Wand 76, welche den Aufnahmeraum 78 begrenzt, mindestens im Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 eben ausgebildet ist und parallel zum Boden 82 liegt.
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Die oberflächenvergrößernde Struktur 80 berührt die erste Innenseite 84 und den Boden 82 im Aufnahmeraum 78, um einen thermischen Kontakt bereitzustellen.
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Der zweite Kaltwärmeübertrager 24 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie der erste Kaltwärmeübertrager 16. An dem zweiten Kaltwärmeübertrager 24 weist das Gehäuse 12 eine zweite Wand 86 mit einer zweiten Innenseite 88 auf.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, dass der erste Kaltwärmeübertrager 16 und der zweite Kaltwärmeübertrager 24 ein geschlossenes Gehäuse aufweisen, wobei dann eine entsprechende Gehäusewandung an der ersten Wand 76 beziehungsweise zweiten Wand 86 mit insbesondere flächigem Kontakt anliegt.
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Die erste thermoelektrische Lage 18, welche zwischen dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 und dem Heißwärmeübertrager 20 angeordnet ist, weist eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 90 (vgl. 14) auf. Ein thermoelektrisches Modul 90 umfasst bei einem Ausführungsbeispiel ein erstes Gehäuseelement 92 und ein gegenüberliegendes zweites Gehäuseelement 94. Das erste Gehäuseelement 92 kontaktiert flächig die erste Wand 28 des Heißwärmeübertragers 20. Das zweite Gehäuseelement 94 kontaktiert flächig den Boden 82 des ersten Kaltwärmeübertragers 16. Das erste Gehäuseelement 92 und das zweite Gehäuseelement 94 sind aus einem Material mit hoher und insbesondere metallischer Wärmeleitfähigkeit gebildet.
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Das erste Gehäuseelement 92 und das zweite Gehäuseelement 94 weisen insbesondere ebene Seiten auf (zumindest in einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10).
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Das erste Gehäuseelement 92 und das zweite Gehäuseelement 94 sind aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt beziehungsweise ein Innenraum 96 zwischen dem ersten Gehäuseelement 92 und dem zweiten Gehäuseelement 94 zugewandt ist eine elektrische Isolierung angeordnet.
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In dem Innenraum 96 sind beispielsweise alternierend n-Leiter 98 und p-Leiter 100 positioniert, wobei benachbarte n-Leiter 98 und p-Leiter 100 über eine elektrisch leitende Brücke 102 (elektrisch) miteinander verbunden sind. Die Brücke 102 ist beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt.
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Zwischen dem Heißwärmeübertrager 20 und dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 entsteht im Betrieb ein Wärmestrom 104. Dieser Wärmestrom 104 liegt an dem thermoelektrischen Modul 90 der ersten thermoelektrischen Lage 18 an. Der Wärmestrom 104 liegt auch zwischen dem ersten Gehäuseelement 92 und dem zweiten Gehäuseelement 94. Über den Seebeck-Effekt kann daraus ein nutzbarer elektrischer Strom generiert werden.
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Die erste thermoelektrische Lage 18 umfasst eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 90, welche insbesondere seriell geschaltet sind. Die zweite thermoelektrische Lage 22 ist grundsätzlich gleich aufgebaut und umfasst eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen 90.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass thermoelektrische Module 90 an einem separaten Träger angeordnet sind, oder sie sind direkt zwischen dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 und dem Heißwärmeübertrager 20 beziehungsweise dem zweiten Kaltwärmeübertrager 24 und dem Heißwärmeübertrager 20 angeordnet.
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Das erste Gehäuseelement 92 und das zweite Gehäuseelement 94 bilden selber Träger für thermoelektrische Elemente von thermoelektrischen Modulen 90. Die thermoelektrischen Elemente sind insbesondere die Brücken 102 und die n-Leiter 98 und p-Leiter 100. Ein Träger (das erste Gehäuseelement 92 und/oder das zweite Gehäuseelement 94) weist Bereiche unterschiedlicher Steifigkeit auf. Es weist insbesondere Bereiche 106 einer ersten Steifigkeit und Bereiche 108 einer zweiten Steifigkeit auf, wobei die zweite Steifigkeit geringer und insbesondere erheblich geringer als die erste Steifigkeit ist. An den Bereichen 106 der ersten Steifigkeit sind die thermoelektrischen Elemente angeordnet und insbesondere die Brücken 102 angeordnet.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 108 durch Schlitze 110 gebildet und insbesondere in dem ersten Gehäuseelement 92 und/oder dem zweiten Gehäuseelement 94 sind durchgehende Schlitze gebildet. Dies ermöglicht eine gewisse Aufbiegung von Bereichen 106; aufgrund des Wärmestroms 104 ist eine dem Heißwärmeübertrager 20 näherliegende Seite einer größeren Hitze ausgesetzt als eine abliegende Seite. Dies kann zu einer entsprechenden Verbiegung an dem ersten Gehäuseelement 92 und dem zweiten Gehäuseelement 94 aufgrund thermomechanischer Spannungen führen. Durch das Vorsehen der Schlitze 110 wird der Träger (das erste Gehäuseelement 92 und/oder das zweite Gehäuseelement 94) in getrennte Bereiche aufgeteilt, so dass sich die einzelnen getrennten Elemente individuell durchbiegen können. Dadurch ist keine oder keine so große Gegenkraft erforderlich, um eine Durchbiegung des gesamten Trägers zu verhindern.
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Das Gehäuse 12 ist geschlossen ausgebildet und kapselt die Kombination 14. Die Kombination 14 ist dabei beabstandet zu den Querwänden 32, 34, wobei ein Zwischenraum 112a beziehungsweise 112b zwischen der Kombination 14 und der Querwand 32 beziehungsweise der Querwand 34 liegt. In diesem Zwischenraum 112a, 112b ist eine thermische Isolierung angeordnet. Diese thermische Isolierung verhindert, dass ein direkter Wärmekontakt über die Querwände 32, 34 zwischen den Kaltwärmeübertragern 16, 24 und dem Heißwärmeübertrager 20 besteht. Bei einem Ausführungsbeispiel ist die thermische Isolierung durch Evakuierung der Zwischenräume 112a, 112b hergestellt.
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Die Kombination 14 mit ihren Komponenten 16, 18, 20, 22, 24 ist eingespannt in dem Gehäuse 12 zumindest bei dem Betriebspunkt oder im Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 fixiert. Die Fixierung in dem Gehäuse 12 ist eine Formschlussverbindung. Die erste Wand 28 und die zweite Wand 30 sperren eine Beweglichkeit der Komponenten 16, 18, 20, 22, 24 der Kombination 14. Der entsprechende Anpressdruck zum Einspannen dieser Komponenten der Kombination 14 in dem Gehäuse 12 über Formschluss wird im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 über thermische Ausdehnung insbesondere des Heißwärmeübertrager-Gehäuses 26 erzeugt. Parasitäre Warnströme sind minimiert. Der erste Kaltwärmeübertrager 16 und der zweite Kaltwärmeübertrager 24 bilden partielle Wärmeübertrager, welche nur die Oberflächen der entsprechenden zugeordneten thermoelektrischen Lage 18 beziehungsweise 22 überdecken. Es ist kein fluidführender Raum zwischen dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 und der ersten thermoelektrischen Lage 18 beziehungsweise dem zweiten Kaltwärmeübertrager 24 und der zweiten thermoelektrischen Lage 22 vorhanden.
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Wie erwähnt, wird der Anpressdruck rein durch thermische Ausdehnung des Heißwärmeübertragers 20 erzeugt, ohne dass zusätzliche externe oder interne Elemente und insbesondere Kraftschlusselemente wie Klammern, Verschraubungen usw. vorgesehen werden müssen.
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Die hohe Knicksteifigkeit am Heißwärmeübertrager 20 aufgrund der mehrlagigen Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 ermöglicht entsprechend hohe und gleichmäßige (flächenhomogene) Anpressdrücke.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist dem Gehäuse 12 eine Ausgleichsstruktur 114 zugeordnet. Die Ausgleichsstruktur 114 dient dazu, im Bereich des ersten Kaltwärmeübertragers 16 und des zweiten Kaltwärmeübertragers 24 eine möglichst homogene (flächenhomogene) Flächenpressung zu erzeugen.
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Insbesondere stellt die Ausgleichsstruktur eine bezüglich einer Breitenrichtung 116 (1) Federsteifigkeit der ersten Wand 28 und der zweiten Wand 30 bereit, um eben einen entsprechenden Ausgleich zu ermöglichen. Die detaillierte Ausbildung der Ausgleichstruktur 140 hängt von dem Aufbau des Gehäuses 12 mit den entsprechenden Komponenten der Kombination 14 und den Betriebsbedingungen und insbesondere den vorliegenden Wärmeströmen 104 ab.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Ausgleichstruktur 114 durch beabstandete Rippen 118 gebildet, welche an der erste Wand 28 beziehungsweise der zweiten Wand 30 angeordnet sind, und welche eine in der Breitenrichtung 116 variierende Höhe aufweisen, wobei insbesondere diese Höhe in Richtung von der Querwand 32 zu der Querwand 34 weg zunimmt und dann mittig zwischen der Querwand 32, 34 seine größte Höhe hat und dann zu der Querwand 34 hin nimmt diese Höhe wieder ab.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Gehäuse 12 mehrteilig ausgebildet (2). Beispielsweise ist ein Unterteil 120 vorgesehen, welches schalenförmig ausgebildet ist. Ferner ist ein Oberteil 122 vorgesehen, welches ebenfalls schalenförmig ausgebildet ist. Die Komponenten 16, 18, 20, 22, 24 der Kombination 14 werden in dem Oberteil 122 und/oder dem Unterteil 120 positioniert. Das Unterteil 120 und das Oberteil 122 werden durch Ausbildung der Querwände 32, 34 miteinander verbunden. Die Verbindung ist eine fluiddichte Verbindung, welche auch entsprechend mechanisch stabil ist und eine Steifigkeit des Gehäuses 12 sichert. Beispielsweise werden das Unterteil 120 und das Oberteil 122 an Querwandvorstrukturen für die Querwände 32, 34 miteinander verlötet oder beispielsweise durch Laserschweißen verschweißt.
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Bei dieser Verbindung werden beispielsweise die Zwischenräume 112a, 112b evakuiert.
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Es wird eine Sandwichstruktur hergestellt mit der Kombination 14, wobei bei der Verbindung eine entsprechende Vorspannung erzeugt werden kann.
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Es ist dabei günstig, wenn in einem Verbindungsbereich 124 (3 als vergrößerte Darstellung des Bereichs A) ein Überlapp zwischen einem ersten Element 126 des Unterteils 120 und einem zweiten Element 128 des Oberteils 122 vorliegt. Es wird dadurch eine entsprechende Verbindungsfläche 130 bereitgestellt. Eine Normale 132 dieser Verbindungsfläche 130 liegt dabei quer zu einer Stapelrichtung 134 der Kombination 14.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Verbindungsfläche 130 zwischen dem ersten Element 126 und dem zweiten Element 128 eine ebene Fläche.
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Bei einer Variante eines Ausführungsbeispiels weist das Unterteil 120 oder das Oberteil 122 ein erstes Element 136 auf, welches an dem Verbindungsbereich 124 gabelförmig ausgebildet ist mit einem ersten Steg 138a und einem zweiten Steg 138b, zwischen welchen eine Aufnahme 140 für ein zweites Element 142 des entsprechenden Gegenelements gebildet ist. In diese Aufnahme 140 kann das zweite Element 142 eingetaucht werden und es kann eine entsprechende stoffschlüssige Verbindung durch Schweißen oder Löten hergestellt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist die Verbindungsfläche vergrößert, das zweite Element 142 sowohl mit dem ersten Steg 138a als auch mit dem zweiten Steg 138b stoffschlüssig verbindbar ist.
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Das Gehäuse 12 weist eine Stirnwandung 144 auf (vgl. beispielsweise 5, 15, 16), durch welche dieses seitlich (in 1 parallel zur Zeichenebene) abgeschlossen ist.
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Die Stirnwandung 144 weist bei einem Ausführungsbeispiel einen Bereich 146 auf, welcher jeweils den ersten Kaltwärmeübertrager 16 und den zweiten Kaltwärmeübertrager 24 stirnseitig abschließt. Zwischen diesem Bereich 146 und dem Aufnahmeraum 78 ist bei einem Ausführungsbeispiel ein Verteilungsraum 148 gebildet, über den Kaltmedium auf die entsprechenden Kanäle der oberflächenvergrößernden Struktur 80 aufteilbar ist.
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In den Verteilungsraum 148 mündet ein Einlass (beziehungsweise Auslass) 150 zum Einkoppeln beziehungsweise Auskoppeln von Kaltmedium.
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Bei einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass die thermoelektrischen Module 90 sowohl der ersten thermoelektrischen Lage 18 als auch der zweiten thermoelektrischen Lage 22 miteinander elektrisch verschaltet sind. Es ist dann vorzugsweise nur ein einziger elektrischer Anschluss 151 an dem Gehäuse 12 angeordnet. Entsprechende Verbindungskabel sind beispielsweise in dem Zwischenraum 112a und/oder dem Zwischenraum 112b angeordnet. Es ist dann für den elektrischen Anschluss 151 zur Auskopplung nutzbarer elektrischer Energie nur eine einzige Vakuumdurchführung an dem Gehäuse 12 notwendig.
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Insbesondere sind ein Auslass und ein getrennter Einlass vorgesehen, wobei vorzugsweise nur ein einziger Einlass und nur ein einziger Auslass vorgesehen sind. Es sind dann nur zwei Durchbrechungen an dem Gehäuse 12 vorgesehen. Insbesondere wird ein Einlass beziehungsweise Auslass gemeinsam durch den ersten Kaltwärmeübertrager 16 und den zweiten Kaltwärmeübertrager 24 genutzt.
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Beim Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 wird der Heißwärmeübertrager 20 durch Heißmedium wie beispielsweise Abgas einer Verbrennungsanlage durchströmt. Eine Hauptströmungsrichtung 152 (5) des Heißmediums bei der Durchströmung des Heißwärmeübertragers 20 und insbesondere bei der Durchströmung der Durchströmungskanäle 42 liegt dabei zumindest beim Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 parallel zu der ersten Innenseite 84 und der zweiten Innenseite 88.
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Eine Hauptströmungsrichtung 154 von Kaltmedium, welche den ersten Kaltwärmeübertrager 16 und den zweiten Kaltwärmeübertrager 24 durchströmt und in 6 mit 154 bezeichnet ist, liegt vorzugsweise parallel beziehungsweise antiparallel zu der Hauptströmungsrichtung 152 von Heißmedium.
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Durch die Durchströmung des ersten Kaltwärmeübertragers 16 und des zweiten Kaltwärmeübertragers 24 mit Kaltmedium wird ein Temperaturgradient über die erste thermoelektrische Lage 18 und die zweite thermoelektrische Lage 22 erzeugt, das heißt es wird der Wärmestrom 104 erzeugt, wodurch wiederum über den Seebeck-Effekt nutzbarer elektrischer Strom erzeugbar ist.
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Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 erstreckt sich in einer Längsrichtung 155 (15, 16). Die Breitenrichtung 116 ist quer und insbesondere senkrecht zu der Längsrichtung 155. Die Längsrichtung 155 liegt senkrecht zu der Zeichenebene von 1.
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Insbesondere liegt die Hauptströmungsrichtung 152 parallel zu der Längsrichtung 155.
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Die Kombination 14 ist in dem Gehäuse 12 in der Längsrichtung 152 (insbesondere parallel zur Hauptströmungsrichtung 152) durch entsprechende Elemente fixiert, die das Einspannen aufgrund thermomechanischer Spannungen in der Stapelrichtung 134 ermöglichen. Die Stapelrichtung 134 liegt dabei senkrecht zur Längsrichtung 155.
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Auch in der Längsrichtung 155 erfährt der Heißwärmeübertrager 20 eine thermische Ausdehnung. Wenn der Heißwärmeübertrager 20 in der Längsrichtung 155 größere Abmessungen als quer dazu aufweist, ist diese Ausdehnung dann auch entsprechend stärker als quer dazu.
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Zum Ausgleich der thermischen Ausdehnung in der Längsrichtung 155 ist eine Ausgleichskompensationseinrichtung 200 vorgesehen. Die Ausdehnungskompensationseinrichtung 200 umfasst einen oder mehrere Wegspeicher 202, 204.
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Bei einem Ausführungsbeispiel sind Wegspeicher 202 an dem Gehäuse 12 angeordnet. Beispielsweise sind Wegspeicher 202 zwischen dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 beziehungsweis dem zweiten Kaltwärmeübertrager 24 und der Stirnwandung 144 angeordnet.
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Eine thermische Ausdehnung des Heißwärmeübertrager-Gehäuses 26 in der Längsrichtung 155 ist dadurch ausgleichbar, dass über den Wegspeicher 202 in der gleichen Richtung das Gehäuse 12 insbesondere an der ersten Wand 28 und der zweiten Wand 30 "mitwandern" kann, das heißt eine entsprechende Länge des Gehäuses 12 kann sich an der ersten Wand 28 und der zweiten Wand 30 verändern und insbesondere vergrößern. Diese Vergrößerung ist dabei insbesondere getrieben durch die thermische Ausdehnung des Heißwärmeübertrager-Gehäuses 26 in der Längsrichtung 155.
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Bei einer alternativen Ausführungsform (16) sind Wegspeicher 204 vorgesehen, welche an dem Heißwärmeübertrager 20 angeordnet sind. Ein Wegspeicher 204 ist wie der Wegspeicher 202 beispielsweise durch eine entsprechende Aufwellung gebildet.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Wegspeicher 204 an Wänden des Heißwärmeübertrager-Gehäuses 26 innerhalb des Gehäuses 12 gebildet, wobei die Wegspeicher 204 in den entsprechenden Verteilungsräumen 148 liegen. Die Wegspeicher 204 sind wiederum außerhalb eines Wandbereichs des Heißwärmeübertrager-Gehäuses 26 angeordnet, an welchem die Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40 liegt.
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Die Wegspeicher 202 sind "positive" Wegspeicher; sie ermöglichen durch "Wegabgabe" eine Anpassung des Gehäuses 12 an die Längenänderung des Heißwärmeübertragers 20. Die Wegspeicher 204 sind "negative" Wegspeicher; sie passen die Längenänderung am Heißwärmeübertrager 20 durch "Wegaufnahme" an das Gehäuse 12 an.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welches in 7 gezeigt und dort mit 156 bezeichnet ist, ist in einem Gehäuse 158 eine Mehrzahl von Kombinationen 14 mit den Komponenten erster Kaltwärmeübertrager 16, erste thermoelektrische Lage 18, Heißwärmeübertrager 20, zweite thermoelektrische Lage 22 und zweiter Kaltwärmeübertrager 24 in einer Stapelbauweise angeordnet.
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Die Kombinationen 14 liegen dabei übereinander. Benachbarte Kombinationen 14', 14'' teilen sich dabei einen Kaltwärmeübertrager.
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Bei dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der zweite Kaltwärmeübertrager 24 der Kombination 14' der erste Kaltwärmeübertrager der benachbarten Kombination 14''.
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Das Gehäuse 158 wiederum sorgt für eine Formschlussfixierung der Kombinationen 14', 14'' in dem Gehäuse 158.
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Grundsätzlich funktioniert die thermoelektrische Generatorvorrichtung 156 gleich wie die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10.
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Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 beziehungsweise 156 funktioniert wie folgt:
Durch den Heißwärmeübertrager 20 wird ein Heißmedium durchgeführt. Das Heißmedium ist beispielsweise ein Abgas eines Verbrennungsmotors.
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Durch den ersten Kaltwärmeübertrager 16 und den zweiten Kaltwärmeübertrager 24 wird ein Kühlmedium durchgeführt.
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Es entsteht dadurch über die thermoelektrischen Lagen 18, 22 ein Wärmestrom 104, mittels welchem nutzbare elektrische Energie durch den Seebeck-Effekt als thermoelektrischer Effekt erzeugt wird.
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Das Gehäuse 12 beziehungsweise das Gehäuse 158 kapselt die Kombination 14, 14', 14'' mit ihren entsprechenden Komponenten. Die einzelnen Komponenten sind in einer Stapelbauweise in der Kombination 14 beziehungsweise 14', 14'' und in dem zugeordneten Gehäuse 12, 158 angeordnet.
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Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10, 156 bewirkt die thermische Ausdehnung des oder der Heißwärmeübertrager 20 eine Fixierung in dem entsprechenden formschlüssigen Gehäuse 12 beziehungsweise 158. Die thermische Ausdehnung sorgt für den entsprechenden Anpressdruck.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die thermische Ausdehnung genutzt, um den notwendigen Anpressdruck für die thermische Kontaktierung zwischen den Komponenten der Kombination 14 beziehungsweise 14', 14'' zu erzeugen. Es sind keine zusätzlichen Vorspanneinrichtungen wie beispielsweise Verschraubungen oder Klammern oder dergleichen notwendig und vorhanden. Es kann bei der Herstellung eine kleine Vorspannung eingebracht werden, um Bauteiltoleranzen auszugleichen und/oder Komponenten einer oder mehrerer Kombinationen zu fixieren. Der notwendige Anpressdruck im "Heißbetrieb" bei einem Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich wird aber zu wesentlichen Teilen thermomechanisch erzeugt aufgrund der Anordnung der Kombination 14 beziehungsweise der Kombination 14', 14'' in dem Gehäuse 12 beziehungsweise 158. Die eventuell bei der Herstellung eingebrachte Vorspannung ist klein im Vergleich zu der im Betriebspunkt oder Betriebspunktsbereich wirkenden Kraft aufgrund des thermomechanischen Anpressdrucks. Sie beträgt insbesondere höchstens 20 % der wirkenden Gesamtkraft.
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Durch die hohe Knicksteifigkeit an dem Heißwärmeübertrager 20 wird der erzeugte Anpressdruck flächig und dabei insbesondere flächig homogen in die weiteren Komponenten eingeleitet. Es entfallen dabei aufwendige Einrichtungen für die Lastverteilung, die aus punktförmigen Lasten eine flächige Last bereitstellen. Dies wiederum ermöglicht eine Strukturoptimierung und es lassen sich dünnere Elemente verwenden. Dadurch lässt sich eine Gewichtsreduzierung ohne Einbußen im Anpressdruck erreichen.
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Parasitäre Wärmeströme werden durch Vorsehen des ersten Kaltwärmeübertragers 16 und des zweiten Kaltwärmeübertragers 24 verringert. Diese sind partielle Wärmeübertrager, die nur die Oberflächen der ersten thermoelektrischen Lage 18 und der zweiten thermoelektrischen Lage 22 überdecken ohne dazwischenliegenden fluidführenden Raum. Es ergeben sich keine kalten Oberflächen, welche nicht eine thermoelektrische Lage abdecken.
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Die mechanisch stabile Oberflächenvergrößerungs-Struktur 40, wobei diese mechanische Stabilität durch die Mehrlagigkeit erreicht wird mit der entsprechend hohen Knickstabilität, ermöglicht den flächenmäßig gleichmäßigen Anpressdruck. Dies wird erreicht ohne massive Leistungseinbußen beziehungsweise Vergrößerung der Systemmasse.
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Eine Herstellung und insbesondere Fügung der einzelnen Komponenten ist ohne Vorspannung möglich. Die Vorspannung (der Anpressdruck) wird im Betrieb im Betriebspunkt beziehungsweise im Betriebspunktsbereich durch thermische Ausdehnung erzeugt.
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Der Anpressdruck wird durch thermomechanische Spannungen erzeugt. Dieser Anpressdruck baut sich beim Hochfahren beim Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 beziehungsweise 156 gleichmäßig auf. Es entsteht beim Hochfahren keine Verschlechterung der thermischen Kontaktierung sondern sogar eine Verbesserung.
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Alle Bauteile sind in dem Gehäuse 12 beziehungsweise 158 gekapselt, so dass sich eine hohe Gewichtsreduktion erreichen lässt.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist eine hohe Funktionsintegration erreicht, welches anhand von 13 erläutert wird:
In die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 beziehungsweise 156 wird Heißmedium eingekoppelt. Es wird dabei das Heißmedium als Medium mit einem Wärmegehalt eingekoppelt (Bezugszeichen 160). Am Heißwärmeübertrager 20 erfolgt ein Wärmeübergang über Wärmeleitung. Der Heißwärmeübertrager stellt dabei gleichzeitig den mechanischen Anpressdruck bereit. Der mechanische Anpressdruck wird durch die entsprechende Ausbildung des Heißwärmeübertragers 20 gleichmäßig bereitgestellt. Dies sorgt für eine effektive Wärmeleitung (Kästchen mit dem Bezugszeichen 162). Der Heißwärmeübertrager sorgt also für den Wärmeübergang an die thermoelektrischen Lagen 18, 22 und sorgt gleichzeitig dafür, dass die Wärmeleitung effektiv ist durch den gleichmäßig bereitgestellten mechanischen Anpressdruck.
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Es erfolgt dann eine Wärmewandlung (Kästchen 164) zur Erzeugung von elektrischer Energie über den Seebeck-Effekt.
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Die Wärmeleitung ist für eine effektive thermoelektrische Wandlung gleichmäßig verteilt durch die entsprechende mechanische Ausbildung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 beziehungsweise 156, in dem verursacht durch den Anpressdruck eine gleichmäßige Verteilung und damit ein effektiver thermischer Kontakt zwischen dem Heißwärmeübertrager 20 und den thermoelektrischen Lagen 18, 22 hergestellt wird.
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In die Kaltwärmeübertrager 16, 24 wird Kaltmedium eingekoppelt (Kästchen 166). An dem ersten Kaltwärmeübertrager 16 und dem zweiten Kaltwärmeübertrager 24 wird durch das Kaltmedium über Wärmeleitung Wärme aufgenommen, wobei über die thermoelektrischen Lagen 18, 24 ein Temperaturgradient und damit der Wärmestrom 104 erzeugt wird.
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Die durch den entsprechenden Anpressdruck und durch die mechanische und hoch integrierte Ausbildung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 beziehungsweise 156 erzeugte gleichmäßige Verteilung des Anpressdrucks sorgt auch für eine effektive Wärmeleitung in das Kaltmedium, welches den ersten Kaltwärmeübertrager 16 und den zweiten Kaltwärmeübertrager 24 durchströmt.
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Diese effektive Wärmeleitung durch eine flächenhomogene Flächenpressung wird gegebenenfalls durch die Ausgleichstruktur 114 unterstützt.
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Das ausgekoppelte Kaltmedium ist erwärmt im Vergleich zu dem eingekoppelten Kaltmedium weist es einen höheren Wärmegehalt auf. Ausgekoppeltes Heißmedium weist im Vergleich zu eingekoppeltem Heißmedium einen geringeren Wärmegehalt auf.
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Wie aus 13 ersichtlich ist, sorgt der gleichmäßig bereitgestellte Anpressdruck für eine effektive Wärmeleitung sowohl an der Kaltseite als auch an der Heißseite der thermoelektrischen Lagen 18, 22 und damit für einen hohen thermoelektrischen Wirkungsgrad.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Thermoelektrische Generatorvorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- Kombination
- 14'
- Kombination
- 14''
- Kombination
- 16
- Erster Kaltwärmeübertrager
- 18
- Erste thermoelektrische Lage
- 20
- Heißwärmeübertrager
- 22
- Zweite thermoelektrische Lage
- 24
- Zweiter Kaltwärmeübertrager
- 26
- Heißwärmeübertrager-Gehäuse
- 28
- Erste Wand
- 30
- Zweite Wand
- 32
- Querwand
- 34
- Querwand
- 36
- Aufnahmeraum
- 38a
- Außenseite
- 38b
- Außenseite
- 40
- Oberflächenvergrößerungs-Struktur
- 42
- Durchströmungskanal
- 44
- Erste Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage
- 46
- Zweite Oberflächenvergrößerungs-Strukturlage
- 48
- Rippenstruktur
- 50
- Zwischenelement
- 52
- Rippen
- 54
- Rippenstruktur
- 56
- Erste Strukturlage
- 58
- Zweite Strukturlage
- 60
- Zwischenelement
- 62
- Rippen
- 64
- Metallschaum
- 66
- Erste Strukturlage
- 68
- Zweite Strukturlage
- 70
- Zwischenelement
- 72
- Kaltwärmeübertrager-Gehäuse
- 74
- Unterteil
- 76
- Erste Wand
- 78
- Aufnahmeraum
- 80
- Oberflächenvergrößernde Struktur
- 82
- Boden
- 84
- Erste Innenseite
- 86
- Zweite Wand
- 88
- Zweite Innenseite
- 90
- Thermoelektrisches Modul
- 92
- Erstes Gehäuseelement
- 94
- Zweites Gehäuseelement
- 96
- Innenraum
- 98
- n-Leiter
- 100
- p-Leiter
- 102
- Brücke
- 104
- Wärmestrom
- 106
- Bereich
- 108
- Bereich
- 110
- Schlitze
- 112a
- Zwischenraum
- 112b
- Zwischenraum
- 114
- Ausgleichstruktur
- 116
- Breitenrichtung
- 118
- Rippen
- 120
- Unterteil
- 122
- Oberteil
- 124
- Verbindungsbereich
- 126
- Erstes Element
- 128
- Zweites Element
- 130
- Verbindungsfläche
- 132
- Normale
- 134
- Stapelrichtung
- 136
- Erstes Element
- 138a
- Erster Steg
- 138b
- Zweiter Steg
- 140
- Aufnahme
- 142
- Zweites Element
- 144
- Stirnwandung
- 146
- Bereich
- 148
- Verteilungsraum
- 150
- Auslass/Einlass
- 151
- Elektrischer Anschluss
- 152
- Hauptströmungsrichtung
- 154
- Hauptströmungsrichtung
- 155
- Längsrichtung
- 156
- Thermoelektrische Generatorvorrichtung
- 158
- Gehäuse
- 160
- Einkopplung
- 162
- Wärmeleitung
- 164
- Wärmewandlung
- 166
- Einkopplung
- 200
- Ausdehnungskompensationseinrichtung
- 202
- Wegspeicher
- 204
- Wegspeicher
- D
- Dicke einer Rippe
- H
- Höhe des Heißwärmeübertragers
- E
- Abstand von Rippen
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102010042603 A1 [0002]
- DE 102007063171 A1 [0003]
- DE 102007063173 A1 [0004]
- DE 102007063196 A1 [0005]
- DE 102009013535 A1 [0006]
- DE 102008005334 A1 [0007]
- DE 102010001417 A1 [0008]
- KR 20120112185 [0009]
