DE202016106971U1

DE202016106971U1 - Thermoelektrische Generatorvorrichtung

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Publication number: DE202016106971U1
Application number: DE202016106971.8U
Authority: DE
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2018-03-15
Anticipated expiration: 2026-12-15

Abstract

Thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) mit einer Heißseite (38), eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (14) mit einer Kaltseite (46), und eine zwischen der Heißseite (38) und der Kaltseite (46) angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung (20), wobei die Heißseite (38) in thermischem Kontakt mit einer ersten Seite (108) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) steht, die Kaltseite (46) in thermischem Kontakt mit einer zweiten Seite (110) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) steht, eine erste Isolierlage (50) stoffschlüssig mit der ersten Seite (108) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) verbunden ist, und wobei eine zweite Isolierlage (54) stoffschlüssig mit der zweiten Seite (110) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierlage (50) stoffschlüssig mit der Heißseite (38) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung mit einer Heißseite, eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung mit einer Kaltseite, und eine zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung, wobei die Heißseite in thermischem Kontakt mit einer ersten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, die Kaltseite in thermischem Kontakt mit einer zweiten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht, eine erste Isolierlage stoffschlüssig mit der ersten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung verbunden ist, und wobei eine zweite Isolierlage stoffschlüssig mit der zweiten Seite der thermoelektrischen Moduleinrichtung verbunden ist.
Aus der DE 10 2013 105 292 A1 ist ein thermoelektrisches Modul bekannt. Bei dem thermoelektrischen Modul ist ein erster Träger vorgesehen, an welchem eine erste elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen ist, ein zweiter Träger, an welchem eine zweite elektrische Isolierschicht stoffschlüssig aufgetragen ist, und einen ersten thermoelektrischen Schenkel und einen zweiten thermoelektrischen Schenkel, welche zwischen der ersten Isolierschicht und der zweiten Isolierschicht angeordnet sind.
Aus der DE 10 2007 063 168 A1 ist ein weiteres thermoelektrisches Modul bekannt. Das thermoelektrische Modul umfasst eine Isolierschicht mit einer Mehrzahl von Isolierschichtabschnitten, welche voneinander getrennt sind.
Aus der DE 10 2013 105 294 A1 ist ein Wärmeübertrager bekannt. Der Wärmeübertrager umfasst mindestens ein Wärmeübertragungselement, welches aus einem metallischen Material hergestellt ist und durch welches Wärme übertragbar ist. An dem mindestens einen Wärmeübertragungselement ist stoffschlüssig eine elektrische Isolierschicht angeordnet, durch welche ein Wärmestrom durchleitbar ist.
Aus der DE 10 2010 028 535 A1 ist ein thermoelektrisches Modul bekannt. Das thermoelektrische Modul umfasst thermoelektrische Halbleiterelemente, Leiterbahnen aus Metall zur Verschaltung der Halbleiterelemente, und mindestens einen Grundträger für die Leiterbahnen. Der Grundträger weist einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff auf.
Aus der DE 10 2012 022 328 A1 ist ein thermoelektrisches Modul bekannt, das mit mehreren elektrisch in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elementen gebildet ist, die mittels einem Substrat miteinander verbunden sind. Bei dem thermoelektrischen Modul ist vorgesehen, dass das mindestens eine Substrat aus stoffschlüssig miteinander verbundenen Metallfasern oder dünnen Metalldrähten gebildet ist und das Substrat eine Netzwerkstruktur bildet, in der Hohl- oder Freiräume vorhanden sind.
Aus der WO 2013/092737 A1 ist ein verbessertes thermoelektrisches Generatormodul bzw. Peltier-Element sowie ein Verfahren und deren Herstellung bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermoelektrische Generatorvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche auf konstruktiv einfache Weise herstellbar ist und bei welcher im Betrieb die Wärmeübertragung zwischen den Komponenten verbessert ist.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten thermoelektrischen Generatorvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Isolierlage stoffschlüssig mit der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung verbunden ist.
Die erste Isolierlage und die zweite Isolierlage trennen die thermoelektrische Moduleinrichtung elektrisch von der Heißwärmeübertragungseinrichtung und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung. Es kann dann ein nutzbarer elektrischer Strom abgegriffen werden. Grundsätzlich verursacht eine elektrische Isolierung durch die erste Isolierlage und die zweite Isolierlage einen Wärmeübergangswiderstand. Durch die stoffschlüssige Auftragung der ersten Isolierlage auf die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung lässt sich dieser Wärmeübergangswiderstand minimieren.
Durch die stoffschlüssige Auftragung der ersten Isolierlage auf die Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung wird der Wärmeübergangswiderstand gezielt an der Heißseite minimiert. Es lässt sich dadurch ein minimierter Temperaturabfall über die erste Isolierlage und die thermoelektrische Moduleinrichtung erreichen. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung gesteigert.
Ferner wird durch die stoffschlüssige Auftragung der ersten Isolierlage die Fertigung und die Herstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung vereinfacht. Es lassen sich die Anzahl von Prozessschritten und die Anzahl von Einzelkomponenten reduzieren, indem beispielsweise thermoelektrische Funktionseinheiten bei der Herstellung verwendet werden, welche auf die erste Isolierschicht aufgebracht werden.
Die erste Isolierlage und die zweite Isolierlage lassen sich dünn ausbilden. Sie weisen beispielsweise eine Dicke zwischen 10 µm und 100 µm auf.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Isolierlage an der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung durch eine Druckkraft gehalten ist. Hierdurch wird eine verbesserte Beweglichkeit und Gleitbarkeit zwischen den jeweiligen Komponenten realisiert. Dies ermöglicht einen Ausgleich von thermomechanischen Spannungen der Komponenten der thermoelektrischen Generatorvorrichtung. Hierdurch wird der thermische Kontakt der thermoelektrischen Moduleinrichtung mit der Heißwärmeübertragungseinrichtung und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung weiter verbessert. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiter gesteigert.
Günstigerweise ist zwischen der zweiten Isolierlage und der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung eine Wärmeleitschicht angeordnet. Hierdurch wird der insbesondere kraftschlüssige thermische Kontakt zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung und der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung weiter verbessert.
Günstig ist es, wenn eine erste Brückenlage vorhanden ist, welche stoffschlüssig mit der ersten Isolierlage verbunden ist, wobei die erste Brückenlage eine Mehrzahl zueinander beabstandeter elektrisch leitender Brücken umfasst. Über eine Brücke lässt sich beispielsweise ein elektrischer Kontakt zwischen einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel der thermoelektrischen Moduleinrichtung realisieren. Über weitere Brücken lässt sich eine nutzbare Spannung abgreifen.
Aus dem gleichen Grund ist es günstig, wenn eine zweite Brückenlage vorhanden ist, welche stoffschlüssig mit der zweiten Isolierlage verbunden ist, wobei die zweite Brückenlage eine Mehrzahl zueinander beabstandeten elektrisch leitenden Brücken umfasst.
Durch die stoffschlüssige Verbindung der ersten Brückenlage und der ersten Isolierlage bzw. der zweiten Brückenlage und der zweiten Isolierlage wird ein optimierter thermischer Kontakt zwischen den Komponenten erreicht. Dadurch wird ein geringer Temperaturabfall zwischen der ersten Brückenlage und der ersten Isolierlage bzw. der zweiten Brückenlage und der zweiten Isolierlage realisiert.
Insbesondere weist die erste Isolierlage und/oder die zweite Isolierlage eine Mehrzahl zueinander beabstandeter Isoliereinheiten auf. Durch eine Segmentierung der ersten Isolierlage und/oder der zweiten Isolierlage ist es möglich, auftretende thermomechanische Spannungen zwischen einzelnen Lagen und/oder Schichten der thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiter zu verringern.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die thermoelektrische Moduleinrichtung mindestens eine thermoelektrische Funktionseinheit umfasst, welche zwischen der Heißseite und der Kaltseite angeordnet ist, und wenn die thermoelektrische Funktionseinheit mindestens ein thermoelektrisches Element umfasst, welches einen ersten Schenkel und einen mit dem ersten Schenkel elektrisch wirksam verbundenen zweiten Schenkel aufweist. Die thermoelektrische Funktionseinheit bildet eine als Ganzes handhabbare Einheit, bei welcher beispielsweise der erste Schenkel und der zweite Schenkel aneinander fixiert sind. Eine solche Einheit lässt sich auf vorteilhafte Weise für die thermoelektrische Generatorvorrichtung einsetzen. Dadurch lässt sich die thermoelektrische Generatorvorrichtung auf einfache Weise herstellen.
Der erste Schenkel ist beispielsweise aus einem p-dotierten Halbleitermaterial hergestellt. Der zweite Schenkel ist beispielsweise aus einem n-dotierten Halbleitermaterial hergestellt.
Insbesondere ist der erste Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements zu dem zweiten Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements mit einem Abstand beabstandet. Dadurch kann auf einfache Weise beispielsweise ein Luftspalt zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel gebildet werden. Dieser Luftspalt bildet eine elektrische Isolierung.
Insbesondere weist die thermoelektrische Funktionseinheit eine Mehrzahl von zueinander mit einem Abstand beabstandeten thermoelektrischen Elementen auf. Es lässt sich dadurch die thermoelektrische Generatorvorrichtung auf einfache Weise herstellen.
Günstig ist es, wenn erste Schenkel der mindestens einen thermoelektrischen Funktionseinheit längs einer ersten Verbindungsgeraden positioniert sind, und zweite Schenkel der mindestens einen thermoelektrischen Funktionseinheit längs einer zweiten Verbindungsgeraden positioniert sind, und die erste Verbindungsgerade quer und insbesondere senkrecht zur zweiten Verbindungsgeraden liegt. Auf diese Weise lässt sich die thermoelektrische Funktionseinheit auf einfache Weise ausführen.
Insbesondere weist eine Einhüllende der mindestens einen thermoelektrischen Funktionseinheit eine rechteckförmige und insbesondere quadratische Querschnittsfläche auf. Dadurch lässt sich die thermoelektrische Funktionseinheit kompakt und einfach ausführen.
Günstig ist es, wenn der erste Schenkel und/oder der zweite Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements eine kreisförmige Querschnittsfläche oder eine rechteckförmige und insbesondere quadratische Querschnittsfläche aufweisen. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein verbesserter thermischer Kontakt zwischen dem ersten Schenkel bzw. dem zweiten Schenkel und anderen Komponenten der thermoelektrischen Funktionseinheit herstellen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist eine erste Brückenlage eine elektrisch leitende erste Brücke auf, welche den ersten Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements elektrisch wirksam kontaktiert, und es weist die erste Brückenlage eine zur ersten Brücke beabstandete elektrisch leitende zweite Brücke auf, welche den zweiten Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements elektrisch wirksam kontaktiert. Dadurch lässt sich beispielsweise ein elektrischer Kontakt zwischen ersten Schenkeln und zweiten Schenkeln verschiedener thermoelektrischer Elemente realisieren.
Beispielsweise kontaktiert die erste Brücke sowohl einen ersten Schenkel eines ersten thermoelektrischen Elements als auch einen zweiten Schenkel eines weiteren thermoelektrischen Elements elektrisch wirksam. Es lassen sich dadurch verschiedene thermoelektrische Elemente auf einfache Weise in Reihe schalten.
Aus dem genannten Grund ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn die zweite Brücke sowohl einen zweiten Schenkel eines ersten thermoelektrischen Elements als auch einen ersten Schenkel eines weiteren thermoelektrischen Elements elektrisch wirksam kontaktiert.
Insbesondere ist eine Querschnittsfläche der ersten Brücke und/oder der zweiten Brücke mindestens so groß wie die Summe aus einer ersten Kontaktfläche zwischen dem ersten Schenkel und der ersten Brücke und einer zweiten Kontaktfläche zwischen dem zweiten Schenkel und der zweiten Brücke. Es lässt sich dadurch ein optimierter thermischer Kontakt zwischen dem ersten Schenkel und der ersten Brücke bzw. dem zweiten Schenkel und der zweiten Brücke herstellen.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste Brückenlage stoffschlüssig mit der ersten Isolierlage und/oder mit dem ersten Schenkel und/oder mit dem zweiten Schenkel verbunden ist. Auf diese Weise lässt sich ein optimierter thermischer Kontakt bei einem verringerten Temperaturabfall realisieren.
Günstig ist es, wenn eine zweite Brückenlage eine elektrisch leitende dritte Brücke aufweist, welche sowohl den ersten Schenkel als auch den zweiten Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements elektrisch wirksam kontaktiert. Dadurch lässt sich auf einfache Weise ein elektrischer Kontakt zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel realisieren.
Insbesondere ist eine Querschnittsfläche der dritten Brücke mindestens so groß wie die Summe aus einer ersten Kontaktfläche zwischen dem ersten Schenkel und der dritten Brücke und einer zweiten Kontaktfläche zwischen dem zweiten Schenkel und der dritten Brücke. Dadurch lässt sich ein verbesserter thermischer Kontakt zwischen dem ersten Schenkel und der dritten Brücke sowie zwischen dem zweiten Schenkel und der dritten Brücke realisieren.
Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die zweite Brückenlage stoffschlüssig mit der zweiten Isolierlage und/oder mit dem ersten Schenkel und/oder mit dem zweiten Schenkel verbunden ist. Es lässt sich dadurch ein verbesserter thermischer Kontakt bei einem verringerten Temperaturabfall realisieren.
Insbesondere weist der erste Schenkel und/oder der zweite Schenkel eine der ersten Isolierlage zugewandte Kontaktfläche auf, welche rechteckförmig und insbesondere quadratisch ist. Es lässt sich dadurch auf einfache Weise ein verbesserter thermischer Kontakt zwischen dem ersten Schenkel bzw. dem zweiten Schenkel und der ersten Isolierlage herstellen. Es lassen sich dadurch der erste Schenkel und/oder der zweite Schenkel auf einfache Weise ausbilden.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn der erste Schenkel und/oder der zweite Schenkel eine der zweiten Isolierlage zugewandte Kontaktfläche aufweist, welche rechteckförmig und insbesondere quadratisch ist.
Günstig ist es, wenn eine Querschnittsfläche einer Isoliereinheit der ersten Isolierlage und/oder eine Querschnittsfläche einer Isoliereinheit der zweiten Isolierlage mindestens so groß ist wie eine Querschnittsfläche einer Einhüllenden der thermoelektrischen Funktionseinheit. Es lässt sich dadurch die thermoelektrische Funktionseinheit einfach und kompakt ausführen.
Insbesondere liegt eine Verbindungsstrecke zwischen dem ersten Schenkel und dem zweiten Schenkel des mindestens einen thermoelektrischen Elements quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung geführten Heißmediumstroms. Auf diese Weise werden Temperaturschwankungen an dem mindestens einen thermoelektrischen Element längs der Verbindungsstrecke vermieden oder zumindest verringert.
Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung wird einem durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung geführten Heißmediumstrom Wärme entzogen. Dies führt dazu, dass die Temperatur des Heißmediumstroms längs seiner Haupt-Strömungsrichtung abnimmt. Dadurch verringert sich auch ein Wärmestrom an den einzelnen thermoelektrischen Funktionseinheiten längs der Haupt-Strömungsrichtung. Die thermoelektrischen Funktionseinheiten weisen jeweils einen bauartbedingten optimalen Wirkungsgrad bei einer bestimmten Stärke des Wärmestroms auf.
Aus dem genannten Grund ist es vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl thermoelektrischer Funktionseinheiten mindestens einem Funktionsabschnitt zugeordnet ist, wobei die thermoelektrischen Funktionseinheiten innerhalb des mindestens einen Funktionsabschnitts bezüglich geometrischer Eigenschaften und/oder Materialeigenschaften gleichartig ausgebildet sind. Auf diese Weise können innerhalb eines Funktionsabschnitts die zugeordneten thermoelektrischen Funktionseinheiten an die jeweiligen thermischen Bedingungen innerhalb des Funktionsabschnitts optimal angepasst werden. Dadurch wird der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiter erhöht.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn eine Mehrzahl unterschiedlicher Funktionsabschnitte längs einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung geführten Heißmediumstroms angeordnet ist, und insbesondere wenn die den jeweiligen unterschiedlichen Funktionsabschnitten zugeordneten thermoelektrischen Funktionseinheiten bezüglich der geometrischen Eigenschaften und/oder Materialeigenschaften variierend ausgebildet sind. Die Bauweise der thermoelektrischen Funktionseinheiten kann dann innerhalb der unterschiedlichen Funktionsabschnitte jeweils an die thermischen Bedingungen innerhalb des Funktionsabschnitts angepasst werden.
Insbesondere variiert in den unterschiedlichen Funktionsabschnitten ein Abstand zwischen thermoelektrischen Funktionseinheiten in einer Richtung parallel zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms und/oder ein Abstand zwischen thermoelektrischen Funktionseinheiten in einer Richtung senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms. Es lässt sich dadurch ein jeweiliger Wärmestrom an den thermoelektrischen Funktionseinheiten eines Funktionsabschnitts optimal nutzen. Dadurch wird der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiter erhöht.
Aus dem gleichen Grund ist es vorteilhaft, wenn der Abstand parallel zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms und/oder der Abstand senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms zwischen thermoelektrischen Funktionseinheiten in längs zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms aufeinanderfolgenden Funktionsabschnitten abnimmt oder zunimmt.
Beispielsweise sind die thermoelektrischen Elemente der thermoelektrischen Funktionseinheiten innerhalb des mindestens einen Funktionsabschnitts in Reihe geschaltet. Es lässt sich dadurch eine abgreifbare nutzbare Spannung an dem jeweiligen Funktionsabschnitt erhöhen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die thermoelektrische Moduleinrichtung in einem Innenraum eines Kapselgehäuses angeordnet, und insbesondere ist der Innenraum gasdicht und/oder fluiddicht geschlossen. Es lässt sich dadurch eine Korrosion von Komponenten der thermoelektrischen Generatorvorrichtung verhindern oder zumindest verringern. Auf diese Weise werden die Stabilität und die Haltbarkeit der thermoelektrischen Generatorvorrichtung weiter erhöht.
Günstig ist es dann, wenn das Kapselgehäuse mindestens eine Wandung aufweist, welche zwischen der Heißseite der Heißwärmeübertragungseinrichtung und der Kaltseite der Kaltwärmeübertragungseinrichtung angeordnet sind. Es lässt sich dadurch das Kapselgehäuse auf einfache Weise ausführen. Es kann dann der Innenraum auf einfache Weise gasdicht und/oder fluiddicht abgedichtet werden.
Insbesondere ist ein mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung elektrisch wirksam verbundener Anschluss durch die mindestens eine Wandung des Kapselgehäuses nach außen geführt. Dadurch lässt sich eine von der thermoelektrischen Moduleinrichtung erzeugte Spannung auf einfache Weise abgreifen.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:

1 eine perspektivische Teilschnittdarstellung einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
2 eine schematische Explosionsdarstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung gemäß 1;
3 eine perspektivische Darstellung einer thermoelektrischen Funktionseinheit;
4(a) eine schematische Darstellung einer Querschnittsfläche einer Isoliereinheit der thermoelektrischen Funktionseinheit gemäß 3;
4(b) eine schematische Darstellung von Querschnittsflächen elektrisch leitender Brücken der thermoelektrischen Funktionseinheit gemäß 3;
4(c) eine schematische Darstellung von Querschnittsflächen von thermoelektrischen Schenkeln der thermoelektrischen Funktionseinheit gemäß 3;
5 eine schematische Explosionsdarstellung der thermoelektrischen Funktionseinheit gemäß 3;
6(a) eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Mehrzahl von Funktionsabschnitten an einer Heißwärmeübertragungseinrichtung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
6(b) eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Mehrzahl von Funktionsabschnitten an einer Heißwärmeübertragungseinrichtung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
7 eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
8 eine perspektivische Darstellung eines Abschnitts eines weiteren Ausführungsbeispiels einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung;
9 eine Schnittansicht eines Teilbereichs einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung im Betrieb;
10 eine schematische Übersichtsdarstellung zur Herstellung einer thermoelektrischen Funktionseinheit;
11(a) eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer ersten Isolierlage an einer Heißwärmeübertragungseinrichtung;
11(b) ein zweites Ausführungsbeispiel einer ersten Isolierlage an einer Heißwärmeübertragungseinrichtung;
11(c) ein drittes Ausführungsbeispiel einer ersten Isolierlage an einer Heißwärmeübertragungseinrichtung;
12 eine Übersichtsdarstellung zur Herstellung eines Teilbereichs einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung; und
13 eine schematische Explosionsdarstellung eines Teilbereichs einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in den 1 und 2 schematisch gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, ist mehrlagig aufgebaut. Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 weist eine Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und eine Kaltwärmeübertragungsvorrichtung 14 auf.
An die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 ist eine Wärmequelle gekoppelt. Diese Wärmequelle ist beispielsweise ein Heißmediumstrom 16, welcher durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 geführt ist. Dieser Heißmediumstrom 16 ist beispielsweise ein Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.
An die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 ist eine Wärmesenke gekoppelt. Durch die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 wird beispielsweise ein Kaltmediumstrom 18 geführt. Dieser Kaltmediumstrom 18 ist beispielsweise Kühlluft.
Eine Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 liegt insbespondere parallel oder antiparallel zu einer Haupt-Strömungsrichtung des Kaltmediumstroms 18.
Zwischen der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 ist eine thermoelektrische Moduleinrichtung 20 angeordnet. Die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 umfasst mehrere thermoelektrische Elemente.
Die Heißwärmeübertragungseinrichtung 14 umfasst ein Heißwärmeübertragungsgehäuse 22. Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 weist eine Wandung 24 auf, welche umlaufend geschlossen ausgebildet ist. Die Wandung 24 erstreckt sich parallel zu einer Längsachse 26 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22. Die Längsachse 26 liegt dabei insbesondere parallel zu der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16.
Die Wandung 24 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet.
Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 kann grundsätzlich auch andere geometrische Formen aufweisen und beispielsweise eine hexagonale oder oktogonale Form aufweisen.
Die Wandung 24 ist insbesondere aus einem Material mit metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Sie ist beispielsweise aus einem metallischen Material hergestellt.
Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 hat einen Innenraum 28, welcher durch die Wandung 24 senkrecht zur Längsachse 26 umlaufend begrenzt ist. Der Innenraum 28 ist bis auf einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss für den Heißmediumstrom 16 fluiddicht geschlossen. Der Eingangsanschluss und der Ausgangsanschluss sind beispielsweise an Stirnseiten des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 ausgebildet. Es ist grundsätzlich möglich, dass mehrere Eingangsanschlüsse und/oder mehrere Ausgangsanschlüsse an dem Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 ausgebildet sind.
Der Innenraum 28 ist in eine Mehrzahl von beabstandeten Kanälen 30 unterteilt, wobei alle oder eine Teilmenge der Kanäle 30 parallel zueinander ausgerichtet sind und insbesondere parallel zu der Längsachse 26 orientiert sind. Benachbarte Kanäle 30a, 30b sind durch eine gemeinsame fluiddichte Wandung 32 voneinander getrennt.
Die Wandung 24 weist auf einer dem Heißmediumstrom 16 abgewandten Außenseite einen ebenen Wandungsbereich 36 auf. Der Wandungsbereich 36 wird durch den Heißmediumstrom 16, welcher durch das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 geführt ist, erwärmt. Auf diese Weise wird im Betrieb der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 an dem Wandungsbereich 36 eine Heißseite 38 ausgebildet.
Die Heißseite 38 ist nicht notwendigerweise räumlich zusammenhängend. Es ist grundsätzlich möglich, dass die Heißseite 38 an mehreren räumlich nicht notwendigerweise zusammenhängenden Wandungsbereichen 36 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 ausgebildet ist.
Die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 weist ein Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 auf. Dieses Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12.
Das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 umfasst eine Wandung 42 mit einem ebenen Wandungsbereich 44.
Aufgrund des Kaltmediumstroms 18, welcher durch das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 geführt ist, wird die Wandung 42 abgekühlt. Aus diesem Grund bildet sich im Betrieb der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 an dem Wandungsbereich 44 eine Kaltseite 46 aus.
Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 und das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 sind derart angeordnet, dass sich die Heißseite 38 und die Kaltseite 46 gegenüberliegen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 liegt der ebene Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses dem ebenen Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 gegenüber. Zwischen den einander gegenüberliegenden Wandungsbereichen 36 und 44 ist ein Zwischenraum 48 ausgebildet. In dem Zwischenraum 48 ist die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 positioniert.
An dem ebenen Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 sitzt stoffschlüssig eine erste Isolierlage 50. Die erste Isolierlage 50 ist stoffschlüssig auf den ebenen Wandungsbereich 36 der Wandung 32 aufgetragen. Sie ist insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren wie beispielsweise Plasmaspritzen oder durch ein Druckverfahren aufgetragen.
Das Material der elektrischen Isolierlage ist beispielsweise Al-Mg-Spinell.
Die erste Isolierlage 50 weist typischerweise eine Dicke zwischen 10 µm und 100 µm auf.
Die erste Isolierlage 50 stellt eine elektrische Isolierung dar. Sie lässt einen Wärmestrom 52 zwischen der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 durch. Die erste Isolierlage 50 ist insbesondere aus einem Material mit mindestens metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
An dem ebenen Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 sitzt eine zweite Isolierlage 54. Die zweite Isolierlage 54 wird durch eine Druckkraft zwischen den thermoelektrischen Elementen der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 und dem Wandungsbereich 44 gehalten. Sie ist beispielsweise zwischen den genannten Komponenten eingespannt. Die zweite Isolierlage 54 stellt eine elektrische Isolierung dar. Sie lässt den Wärmestrom 52 durch. Insbesondere hat das Material der zweiten Isolierlage 54 eine metallische Wärmeleitfähigkeit.
Die zweite Isolierlage 54 weist typischerweise eine Dicke zwischen 10 µm und 100 µm auf.
Die erste Isolierlage 50 und die zweite Isolierlage 54 erstrecken sich in zumindest annähernd parallelen zueinander beabstandeten Ebenen.
Bei einer Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass zwischen der zweiten Isolierlage 54 und dem ebenen Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 eine Wärmeleitschicht 56 angeordnet ist. Die Wärmeleitschicht 56 sitzt kraftschlüssig zwischen der zweiten Isolierlage 54 und dem Wandungsbereich 44.
Die Wärmeleitschicht 56 verbessert den thermischen Kontakt zwischen der zweiten Isolierlage 54 und der Wandung 42 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40. Sie ist insbesondere aus einem Material mit metallischer Wärmeleitfähigkeit hergestellt.
Die Wärmeleitschicht 56 ist oder umfasst beispielsweise eine Graphit- oder Silikonfolie.
Zwischen der ersten Isolierlage 50 und der zweiten Isolierlage 54 sitzt insbesondere eine Mehrzahl von thermoelektrischen Elementen 58. Ein thermoelektrisches Element 58 weist einen ersten Schenkel 60 und einen zweiten Schenkel 62 auf. Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 sind mit einem Abstand s₁ (4(c)) zueinander beabstandet. Zwischen dem ersten Schenkel 60 und dem zweiten Schenkel 62 ist ein Luftspalt ausgebildet, welcher auch eine elektrische Isolierung bildet.
Der erste Schenkel 60 weist ein positiv dotiertes Material auf. Der zweite Schenkel 62 weist ein negativ dotiertes Material auf.
Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 sitzen über eine erste Brückenlage 64 an der ersten Isolierlage 50. Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 sitzen über eine zweite Brückenlage 66 an der zweiten Isolierlage 54.
Die erste Brückenlage 64 und die zweite Brückenlage 66 umfassen Brücken 68 aus einem elektrisch leitenden Material.
Eine typische Schichtdicke der Brücken 68 liegt im Bereich zwischen 10 µm und 100 µm.
Die Brücken 68 sind stoffschlüssig mit der zugehörigen ersten Isolierlage 50 bzw. zweiten Isolierlage 54 verbunden. Sie sind insbesondere auf die zugehörige erste Isolierlage 50 bzw. zweite Isolierlage 54 aufgetragen und insbesondere durch ein thermisches Spritzverfahren und insbesondere durch Plasmaspritzen aufgetragen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der erste Schenkel 60 an einer ersten Brücke 70 der ersten Brückenlage 64 angeordnet. Es ist eine zweite Brücke 72 vorgesehen, welche beabstandet zu der ersten Brücke 70 ist. An dieser zweiten Brücke 72 ist der zweite Schenkel 62 angeordnet. Zwischen der ersten Brücke 70 und der zweiten Brücke 72 liegt ein Luftspalt, d. h. diese sind elektrisch voneinander getrennt.
Die erste Brücke 70 und die zweite Brücke 72 sind wie oben beschrieben stoffschlüssig auf die erste Isolierlage 50 aufgetragen.
Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 weisen eine gemeinsame dritte Brücke 74 auf, welche mit dem ersten Schenkel 60 und dem zweiten Schenkel 62 thermisch und elektrisch wirksam verbunden ist. Die dritte Brücke 74 sitzt stoffschlüssig an der zweiten Isolierlage 54. Die dritte Brücke 74 stellt einen elektrischen Kontakt zwischen dem ersten Schenkel 60 und dem zweiten Schenkel 62 her.
Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 sitzen stoffschlüssig an der ersten Brückenlage 64 und der zweiten Brückenlage 66. Die stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise durch ein thermisches Spritzgießverfahren, eine Lötverbindung, eine Hartlötverbindung oder ein Druckverfahren hergestellt.
Bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 sind die erste Isolierlage 50 und die zweite Isolierlage 54 in eine Mehrzahl von zueinander beabstandeten Isoliereinheiten 76 unterteilt ist. Dies ist im Detail in 2 sowie in den 11(a) und 11(b) dargestellt. Die einzelnen Isoliereinheiten 76 sind voneinander getrennt. Sie sitzen wie oben beschrieben stoffschlüssig bzw. kraftschlüssig auf dem ebenen Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 bzw. dem ebenen Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die erste Isolierlage 50 und/oder die zweite Isolierlage 54 jeweils als zusammenhängende Schicht ausgeführt sind (11(c)). Sie kontaktieren insbesondere flächig den ebenen Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 bzw. den ebenen Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40.
Die Isoliereinheiten 76 der ersten Isolierlage 50 und der zweiten Isolierlage 54 weisen jeweils eine den thermoelektrischen Elementen 58 zugewandte Querschnittsfläche 78 auf. Die Querschnittsfläche 78 ist beispielsweise rechteckförmig und insbesondere quadratisch ausgebildet. Die Querschnittsfläche 78 ist mindestens genau so groß wie ein zu der Querschnittsfläche 78 paralleler Querschnitt eines zuwandten thermoelektrischen Elements 58.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 in eine Mehrzahl von thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 unterteilt (3, 4 und 5). Die thermoelektrische Funktionseinheit 80 gemäß 3 ist in 5 in einer Explosionsdarstellung gezeigt. 4(a) zeigt eine Schnittansicht der Querschnittsfläche 78 der Isoliereinheit 76. 4(b) zeigt eine zu der Querschnittsfläche 78 parallele Schnittansicht durch die Brücken 68. 4(c) zeigt eine zu der Querschnittsfläche 78 parallele Schnittansicht durch die ersten Schenkel 60 bzw. die zweiten Schenkel 62.
Eine thermoelektrische Funktionseinheit 80 ist eine als Ganzes handhabbare Einheit, umfassend beispielsweise ein oder mehrere thermoelektrische Elemente 58, Brücken 68, sowie eine Isoliereinheit 76. Bei der thermoelektrischen Funktionseinheit 80 sind die genannten Einzelkomponenten aneinander fixiert, wobei benachbarte Lagen direkt miteinander stoffschlüssig verbunden sind. Eine solche Einheit lässt sich auf vorteilhafte Weise für die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10 einsetzen und diese lässt sich auf einfache Weise herstellen.
Bei dem in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die thermoelektrische Funktionseinheit 80 zwei thermoelektrische Elemente 58a, 58b. Die thermoelektrischen Elemente 58a, 58b weisen jeweils den ersten Schenkel 60 und den zweiten Schenkel 62 auf. Der erste Schenkel 60 ist zu dem zweiten Schenkel 62 mit dem Abstand s₁ beabstandet.
Unterschiedliche thermoelektrische Elemente 58a, 58b sind derart angeordnet, dass ein erster Schenkel 60 eines ersten thermoelektrischen Elements einem zweiten Schenkel 62 eines weiteren thermoelektrischen Elements gegenüberliegt. Beispielsweise liegt der erste Schenkel 60 des thermoelektrischen Elements 58a dem zweiten Schenkel 62 des thermoelektrischen Elements 58b gegenüber.
Gegenüberliegende erste Schenkel 60 und zweite Schenkel 62 unterschiedlicher thermoelektrischer Elemente sind mit einem Abstand s₂ zueinander beabstandet. Zwischen ihnen ist ein Luftspalt gebildet, welcher auch eine elektrische Isolierung bildet.
Insbesondere sind erste Schenkel 60 längs einer ersten Verbindungsgeraden 81a positioniert und zweite Schenkel 62 längs einer zweiten Verbindungsgeraden 1b positioniert. Die erste Verbindungsgerade 81a liegt senkrecht zur zweiten Verbindungsgeraden 81b.
Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 sind beispielsweise quaderförmig und insbesondere würfelförmig ausgebildet. Sie sind beispielsweise an Ecken eines Rechtecks und insbesondere eines Quadrats positioniert.
Der erste Schenkel 60 und der zweite Schenkel 62 sind über die dritte Brücke 74 elektrisch wirksam miteinander verbunden. Der erste Schenkel 60 kontaktiert die dritte Brücke 74 mit einer insbesondere ebenen Kontaktfläche. Der erste Schenkel weist eine zu der Kontaktfläche parallele Querschnittsfläche 82 auf. Der zweite Schenkel 62 kontaktiert die dritte Brücke 74 ebenfalls mit einer insbesondere ebenen Kontaktfläche. Der zweite Schenkel 62 weist eine zu der Kontaktfläche parallele Querschnittsfläche 84 auf (4(c)).
Eine Querschnittsfläche 86 der dritten Brücke 74, welche parallel zu den Kontaktflächen zwischen der dritten Brücke 74 und dem ersten Schenkel 60 sowie dem zweiten Schenkel 62 liegt, ist mindestens so groß wie die Summe aus der Kontaktfläche zwischen dem ersten Schenkel 60 und der dritten Brücke 74 sowie dem zweiten Schenkel 62 und der dritten Brücke 74 ( 4(b)).
Die dritte Brücke 74 ist zwischen der Isoliereinheit 76 und dem ersten Schenkel 60 bzw. dem zweiten Schenkel 62 angeordnet. Die dritte Brücke 74 ist stoffschlüssig mit der Isoliereinheit 76 verbunden.
Die Querschnittsfläche 78 der Isoliereinheit 76 ist mindestens so groß wie die Summe der Kontaktflächen zwischen der Isoliereinheit 76 und den dritten Brücken 74 (4(a)). Die Querschnittsfläche 78 der Isoliereinheit 76 der thermoelektrischen Funktionseinheit 80 entspricht insbesondere einer zu der Isoliereinheit 76 parallelen Querschnittsfläche einer Einhüllenden 87 der thermoelektrischen Funktionseinheit 80.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 ist eine Mehrzahl gleichartig ausgebildeter thermoelektrischer Funktionseinheiten 80 einem Funktionsabschnitt 88 zugeordnet. 6(a) zeigt eine Schnittansicht eines Abschnitts auf dem ebenen Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22. An dem ebenen Wandungsbereich 36 sind wie oben beschrieben die erste Isolierlage 50 und die Brücken 68 positioniert. Die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 sitzen auf den Brücken 68 (nicht dargestellt in 6(a)). Auf den thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 ist, wie beispielsweise in 1 dargestellt, die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 mit dem Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 angeordnet.
Bei dem in 6(a) dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Funktionsabschnitte 88a, 88b, 88c längs der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 nacheinander angeordnet. Die Funktionsabschnitte 88a, 88b, 88c sind beispielsweise rechteckförmig ausgebildet. Eine längste Kante des Rechtecks liegt quer und insbesondere senkrecht zu der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16.
Die thermoelektrischen Elemente 58 der thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 sind innerhalb eines Funktionsabschnitts 88 über die Brücken 68 in Reihe geschaltet. Der Stromfluss innerhalb eines Funktionsabschnitts 88a, 88b, 88c ist in 6(a) durch die gestrichelte Linie mit Pfeilen angedeutet. Unterschiedliche Funktionsabschnitte 88 weisen grundsätzlich voneinander getrennte Stromkreise auf. Es kann allerdings vorgesehen sein, dass unterschiedliche Funktionsabschnitte 88 in Reihe geschaltet werden.
Die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80, welche jeweils unterschiedlichen Funktionsabschnitten 88 zugeordnet sind, sind bezüglich der verwendeten Materialien und/oder geometrischer Eigenschaften variierend ausgebildet. Die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 unterschiedlicher Funktionsabschnitte 88 sind beispielsweise bezüglich der Form und/oder der Größe von Querschnittsflächen 82, 84 des ersten Schenkels 60 bzw. des zweiten Schenkels 62, Querschnittsflächen 86 der Brücken 68 und/oder Querschnittsflächen 78 der jeweiligen Isoliereinheiten 76 variierend ausgebildet. Ferner kann es vorgesehen sein, dass geometrische Größen wie beispielsweise der Abstand s₁ und/oder s₂ variiert werden. Es ist ferner möglich, Schichtdicken der Isoliereinheit 76, der Brücken 68 sowie des ersten Schenkels 60 und/oder des zweiten Schenkels 62 zu variieren.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der erste Schenkel 60 und/oder der zweite Schenkel 62 hinsichtlich des verwendeten thermoelektrischen Materials in unterschiedlichen Funktionsabschnitten 88 variierend ausgebildet sind.
Insbesondere sind die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 innerhalb eines Funktionsabschnitts 88 in einer Richtung parallel zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 mit einem konstanten Abstand s₃ zueinander beabstandet und/oder in einer Richtung senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 mit einem konstanten Abstand s₄ zueinander beabstandet (6(b)).
Es kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Abstand s₃ und/oder der Abstand s₄ der thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 in unterschiedlichen Funktionsabschnitten 88 variiert.
Bei dem in 6(b) dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Funktionsabschnitte 88a', 88b', 88c' analog zu dem in 6(a) dargestellten Ausführungsbeispiel längs der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 nacheinander angeordnet.
Die Abstände s₃ und s₄ zwischen den thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 nehmen jeweils in aufeinanderfolgenden Funktionsabschnitten 88 zu.
Beispielsweise sind der Abstand s₃ und der Abstand s₄ der thermoelektrischen Funktionseinheiten des Funktionsabschnitts 88b' größer als der Abstand s₃ und der Abstand s₄ der thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 des Funktionsabschnitts 88a'.
Es ist vorgesehen, dass die Funktionsabschnitte 88 jeweils Anschlüsse 90 aufweisen, welche aus dem Zwischenraum 48 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 und des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 nach außen geführt sind. Über die Anschlüsse 90 kann eine elektrische wirksame Verbindung mit den thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 der Funktionsabschnitte 88 hergestellt werden.
Innerhalb eines Funktionsabschnitts 88 ist eine Mehrzahl von Brücken 68 der ersten Brückenlage 64 und/oder der zweiten Brückenlage 66 quer und insbesondere senkrecht zu der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 angeordnet.
Eine Mehrzahl thermoelektrischer Elemente 58 weist innerhalb eines Funktionsabschnitts 88 eine Haupt-Erstreckungsrichtung quer und insbesondere senkrecht zu der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 auf. Auf diese Weise liegt längs der Haupt-Erstreckungsrichtung der thermoelektrischen Elemente 58 zumindest näherungsweise eine konstante Temperatur bzw. ein konstanter Wärmestrom 52 an.
Die Haupt-Erstreckungsrichtung eines thermoelektrischen Elements 58 entspricht beispielsweise einer Richtung einer Verbindungsstrecke 89 zwischen dem ersten Schenkel 60 und dem zweiten Schenkel 62 (4(c)).
Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 nimmt typischerweise eine Temperatur des Heißmediumstroms 16 parallel zu seiner Haupt-Strömungsrichtung ab. Aus diesem Grund variiert auch die Stärke des Wärmestroms 52 parallel zu der Haupt-Strömungsrichtung. Die Stärke des Wärmestroms 52 nimmt ebenfalls parallel zu der Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms 16 ab.
Die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 erreichen bauartbedingt nur bei einer bestimmten Temperatur bzw. einer bestimmten Stärke des Wärmestroms 52 ihren optimalen Wirkungsgrad. In unterschiedlichen Funktionsabschnitten 88 sind die jeweiligen thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 daher jeweils für eine bestimmte Temperatur bzw. eine bestimmte Stärke des Wärmestroms 52 optimiert. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 weiter erhöht werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in 7 perspektivisch gezeigt und dort mit 92 bezeichnet ist, ist die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 in einem Innenraum 94 eines Kapselgehäuses 96 angeordnet. Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 92 sind Komponenten, welche mit denjenigen der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen belegt. Für diese Komponenten gilt die Beschreibung aus dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel.
Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 92 ist grundsätzlich gleichartig aufgebaut wie die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10.
Das Kapselgehäuse 96 ist in dem Zwischenraum 48 zwischen dem Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 und dem Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 positioniert.
Das Kapselgehäuse 96 umfasst eine umlaufend geschlossene Wandung 98, welche zwischen dem ebenen Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 und dem ebenen Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 angeordnet ist. Die Wandung 98 ist beispielsweise quaderförmig ausgebildet.
Die Wandung 98 weist Stirnseiten 100a, 100b auf, welche jeweils an dem Wandungsbereich 36 bzw. an dem Wandungsbereich 44 anliegen. Die Wandung 98 ist an den Stirnseiten 100a, 100b insbesondere stoffschlüssig mit dem Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 und dem Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 verbunden.
Die Wandung 98 ist an den Stirnseiten 100a, 100b bezüglich des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 und des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 insbesondere gasdicht und/oder fluiddicht abgedichtet.
Das Kapselgehäuse 96 umfasst den Innenraum 94, welcher senkrecht zu dem Wärmestrom 52 durch die Wandung 98 umlaufend begrenzt ist. Der Innenraum 94 wird längs zum Wärmestrom 52 durch den Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 und den Wandungsbereich 44 des Kaltwärmeübertragungsgehäuses 40 begrenzt.
Die Wandung 98 des Kapselgehäuses 96 ist beispielsweise aus Edelstahl, Nickel und/oder Aluminium hergestellt. Sie weist typischerweise eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm auf.
Es ist vorgesehen, dass das Kapselgehäuse 96 einen Anschluss 102 aufweist, welcher mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 elektrisch wirksam verbunden ist. Der Anschluss 102 ist beispielsweise durch die Wandung 98 nach außen geführt. Kontakte des Anschlusses 102 sind gegenüber der Wandung 98 insbesondere gasdicht und/oder fluiddicht abgedichtet.
Der Innenraum 94, in welchem die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 angeordnet ist, ist gegenüber der Atmosphäre insbesondere fluiddicht abgedichtet. Auf diese Weise werden die Haltbarkeit und die Stabilität der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 92 weiter erhöht. Hierdurch kann eine Korrosion von Komponenten der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 92 verringert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform einer thermoelektrischen Generatorvorrichtung, welche in 8 in einer perspektivischen Ansicht abschnittsweise gezeigt und dort mit 104 bezeichnet ist, ist es vorgesehen, dass mehrere Kombinationen aus Heißwärmeübertragungsgehäuse 22, thermoelektrischen Elementen 58 und Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 in Stapelbauweise schichtweise übereinander angeordnet sind. Das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22, das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 und die thermoelektrischen Module 58 sind grundsätzlich gleichartig ausgebildet wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Aus diesem Grund werden für diese Komponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 104 ist es vorgesehen, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 mehrere voneinander räumlich getrennte Lagen aufweist, welche jeweils thermoelektrische Elemente 58 umfassen. Die Lagen mit den thermoelektrischen Elementen 58 sind jeweils zwischen den Heißwärmeübertragungsgehäusen 22 der Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 und den Kaltwärmeübertragungsgehäusen 40 der Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 angeordnet. Die thermoelektrischen Elemente 58 unterschiedlicher Lagen sind beispielsweise über ein Flachbandkabel 106 elektrisch wirksam miteinander verbunden. Sie sind beispielsweise über das Flachbandkabel 106 in Reihe geschaltet.
Auf diese Weise kann die thermoelektrische Generatorvorrichtung 104 noch einfacher und kompakter ausgeführt werden.
Die thermoelektrische Generatorvorrichtung 10, 92, 104 funktioniert wie folgt:
Aufgrund des durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung 12 geführten Heißmediumstroms 16 entsteht die Heißseite 38. Die Heißseite 38 steht in thermischem Kontakt mit einer ersten Seite 108 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20. Der durch die Kaltwärmeübertragungseinrichtung 14 geführte Kaltmediumstrom 18 ist ursächlich für die Ausbildung der Kaltseite 46, welche in thermischem Kontakt mit einer zweiten Seite 110 der thermoelektrischen Moduleinrichtung steht. Die erste Seite 108 wird beispielsweise durch die erste Isolierlage 50 gebildet. Die zweite Seite 110 wird beispielsweise durch die zweite Isolierlage 54 gebildet. Es liegt ein Temperaturgradient zwischen der Heißseite 38 und der Kaltseite 46. Über den thermoelektrischen Elementen 58 der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 liegt eine Temperaturdifferenz.
Diese Temperaturdifferenz erzeugt an jedem thermoelektrischen Element 58 über den Seebeck-Effekt eine elektrische Spannung. Mehrere thermoelektrische Elemente 58 sind dabei über Brücken 68 elektrisch wirksam miteinander verbunden. Sie sind beispielsweise in Reihe geschaltet. Die elektrische Spannung der in Reihe geschalteten thermoelektrischen Elemente ist an dem Anschluss 90 abgreifbar.
Im Betrieb der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10, 92, 104 entstehen zwischen den einzelnen Lagen hohe Temperaturdifferenzen. Dies führt dazu, dass sich Komponenten der thermoelektrischen Generatorvorrichtung ausdehnen bzw. zusammenziehen. Dadurch entstehen thermomechanische Verspannungen und Verformungen.
Aufgrund von thermomechanischen Spannungen wird grundsätzlich der thermische Kontakt zwischen der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 und der Heißseite 38 sowie der Kaltseite 46 verschlechtert.
In 9 ist in einer Schnittansicht senkrecht zur Längsachse 26 ein Abschnitt der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 im Betrieb gezeigt. Bei der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10, 92, 104 ist es vorgesehen, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 eine Mehrzahl thermoelektrischer Funktionseinheiten 80 aufweist. Die thermomechanischen Spannungen verteilen sich daher auf die einzelnen thermoelektrischen Funktionseinheiten 80, welche jeweils vergleichbar geringe geometrische Abmessungen aufweisen. Auf diese Weise werden Verformungen und Spannungen lokal kompensiert.
Die thermoelektrische Moduleinrichtung 20 ist über die erste Isolierlage 50 mit dem Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 stoffschlüssig verbunden, während sie über die zweite Isolierlage 54 mit dem Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 kraftschlüssig verbunden ist. Einzelne thermoelektrische Funktionseinheiten 80 können sich daher im Bereich des kraftschlüssigen Kontakts mit dem Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 lokal ausdehnen. Auf diese Weise werden thermomechanische Spannungen und Verformungen weiter reduziert.
Die einseitig stoffschlüssige Verbindung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 an dem Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 führt zu einem verbesserten thermischen Kontakt bei einem geringeren Wärmeübergangswiderstand. Aufgrund des stoffschlüssigen Kontakts zu der Heißseite 38 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 ergibt sich im Bereich der Kontaktierungsschicht ein verringerter Temperaturabfall im Vergleich zu einem kraftschlüssigen Kontakt. Aufgrund der einseitig stoffschlüssigen Verbindung der thermoelektrischen Moduleinrichtung 20 mit der Heißseite 38 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 wird daher der Wirkungsgrad der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10, 92, 104 weiter gesteigert.
Der Herstellungsprozess einer thermoelektrischen Funktionseinheit 80 ist in 10 schematisch dargestellt. An der Isoliereinheit 76 wird eine Maske 112 positioniert, welche eine zu der Form der Brücken 68 korrespondierende Negativform aufweist. Anschließend werden die Brücken 68 wie oben beschrieben beispielsweise durch ein thermisches Spritzgießverfahren stoffschlüssig auf die Isoliereinheit 76 aufgebracht. Die Maske 112 wird anschließend entfernt. In einem letzten Schritt werden die ersten Schenkel 60 und die zweiten Schenkel 62 der thermoelektrischen Elemente 58 an den Brücken 68 stoffschlüssig positioniert.
Zur Herstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10 wird in einem nächsten Schritt (11) die erste Isolierlage 50 wie oben beschrieben stoffschlüssig auf den ebenen Wandungsbereich 36 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 aufgebracht. Die erste Isolierlage 50 ist entweder durchgehend flächig ausgebildet (11(c)) oder in Isoliereinheiten 76 segmentiert ( 11(a), (b)). Auf der ersten Isolierlage 50 werden die Brücken 68 stoffschlüssig positioniert.
Auf diesen Brücken 68 werden anschließend die ersten Schenkel 60 und die zweiten Schenkel 62 der thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 stoffschlüssig positioniert (nicht gezeigt in 11). In einem letzten Schritt wird das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 mit seinem ebenen Wandungsbereich 44 an den Isoliereinheiten 76 der thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 kraftschlüssig positioniert. Die Isoliereinheiten 76 der thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 bilden hierbei die zweite Isolierlage 54.
Bei der Herstellung der thermoelektrischen Generatorvorrichtung 10, 92, 104 kann es alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass die erste Isolierlage 50, die erste Brückenlage 64 sowie die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 zunächst auf einen Teilbereich des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 aufgebracht werden (12). Der Teilbereich ist beispielsweise ein Rohrabschnitt 114.
Bei dem in 12 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 aus zwei gegenüberliegenden Rohrabschnitten 114a, 114b zusammengesetzt. Die sich gegenüberliegenden Rohrabschnitte 114a, 114b liegen spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene, welche das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 in zwei Hälften teilt.
In dem Innenraum 28 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 sind die Wandungen 32 der Kanäle 30 angeordnet. Die Wandungen 32 werden beispielsweise durch Aneinanderpressen der beiden Rohrabschnitte 114a, 114b in dem Innenraum 28 kraftschlüssig eingespannt. Alternativ hierzu können die Wandungen 32 der Kanäle 30 beispielsweise durch Löten oder Schweißen stoffschlüssig mit der Wandung 24 des Heißwärmeübertragungsgehäuses 22 verbunden werden.
Das Kaltwärmeübertragungsgehäuse 40 ist grundsätzlich gleichartig aufgebaut bzw. hergestellt wie das Heißwärmeübertragungsgehäuse 22.
Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Komponenten erste Isolierlage 50 und erste Brückenlage 64 sowie die thermoelektrischen Funktionseinheiten 80 schichtweise bereits auf ein fertiges Heißwärmeübertragungsgehäuse 22 aufgebracht werden (13).
Bezugszeichenliste

S₁: Abstand
S₂: Abstand
S₃: Abstand
S₄: Abstand
10: thermoelektrische Generatorvorrichtung
12: Heißwärmeübertragungseinrichtung
14: Kaltwärmeübertragungseinrichtung
16: Heißmediumstrom
18: Kaltmediumstrom
20: thermoelektrische Moduleinrichtung
22: Heißwärmeübertragungsgehäuse
24: Wandung
26: Längsachse
28: Innenraum
30: Kanal
30a: Kanal
30b: Kanal
32: Wandung
34: Außenseite
36: Wandungsbereich
38: Heißseite
40: Kaltwärmeübertragungsgehäuse
42: Wandung
44: Wandungsbereich
46: Kaltseite
48: Zwischenraum
50: erste Isolierlage
52: Wärmestrom
54: zweite Isolierlage
56: Wärmeleitschicht
58: thermoelektrisches Element
58a: thermoelektrisches Element
58b: thermoelektrisches Element
60: erster Schenkel
62: zweiter Schenkel
64: erste Brückenlage
66: zweite Brückenlage
68: Brücke
70: erste Brücke
72: zweite Brücke
74: dritte Brücke
76: Isoliereinheit
78: Querschnittsfläche
80: thermoelektrische Funktionseinheit
81a: erste Verbindungsgerade
81b: zweite Verbindungsgerade
82: Querschnittsfläche
84: Querschnittsfläche
86: Querschnittsfläche
87: Einhüllende
88: Funktionsabschnitt
88a, 88a': Funktionsabschnitt
88b, 88b': Funktionsabschnitt
88c, 88c': Funktionsabschnitt
89: Verbindungsstrecke
90: Anschluss
92: thermoelektrische Generatorvorrichtung
94: Innenraum
96: Kapselgehäuse
98: Wandung
100a: Stirnseite
100b: Stirnseite
102: Anschluss
104: thermoelektrische Generatorvorrichtung
106: Flachbandkabel
108: erste Seite
110: zweite Seite
112: Maske
114: Rohrabschnitt
114a: Rohrabschnitt
114b: Rohrabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013105292 A1 [0002]
DE 102007063168 A1 [0003]
DE 102013105294 A1 [0004]
DE 102010028535 A1 [0005]
DE 102012022328 A1 [0006]
WO 2013/092737 A1 [0007]

Claims

Thermoelektrische Generatorvorrichtung, umfassend eine Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) mit einer Heißseite (38), eine Kaltwärmeübertragungseinrichtung (14) mit einer Kaltseite (46), und eine zwischen der Heißseite (38) und der Kaltseite (46) angeordnete thermoelektrische Moduleinrichtung (20), wobei die Heißseite (38) in thermischem Kontakt mit einer ersten Seite (108) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) steht, die Kaltseite (46) in thermischem Kontakt mit einer zweiten Seite (110) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) steht, eine erste Isolierlage (50) stoffschlüssig mit der ersten Seite (108) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) verbunden ist, und wobei eine zweite Isolierlage (54) stoffschlüssig mit der zweiten Seite (110) der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierlage (50) stoffschlüssig mit der Heißseite (38) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) verbunden ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Isolierlage (54) an der Kaltseite (46) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (14) durch eine Druckkraft gehalten ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Wärmeleitschicht (56), welche zwischen der zweiten Isolierlage (54) und der Kaltseite (46) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (14) angeordnet ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste Brückenlage (64), welche stoffschlüssig mit der ersten Isolierlage (50) verbunden ist, wobei die erste Brückenlage (64) eine Mehrzahl zueinander beabstandeter elektrisch leitender Brücken (68) umfasst.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zweite Brückenlage (66), welche stoffschlüssig mit der zweiten Isolierlage (54) verbunden ist, wobei die zweite Brückenlage (66) eine Mehrzahl zueinander beabstandeter elektrisch leitender Brücken (68) umfasst.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Isolierlage (50) und/oder die zweite Isolierlage (54) eine Mehrzahl zueinander beabstandeter Isoliereinheiten (76) aufweist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (20) mindestens eine thermoelektrische Funktionseinheit (80) umfasst, welche zwischen der Heißseite (38) und der Kaltseite (46) angeordnet ist, und dass die thermoelektrische Funktionseinheit (80) mindestens ein thermoelektrisches Element (58) umfasst, welches einen ersten Schenkel (60) und einen mit dem ersten Schenkel (60) elektrisch wirksam verbundenen zweiten Schenkel (62) aufweist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (60) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) zu dem zweiten Schenkel (62) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) mit einem Abstand (S₁) beabstandet ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Funktionseinheit (80) eine Mehrzahl von zueinander mit einem Abstand (s₂) beabstandeten thermoelektrischen Elementen (58) aufweist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass erste Schenkel (60) der mindestens einen thermoelektrischen Funktionseinheit (80) längs einer ersten Verbindungsgeraden (81a) positioniert sind, dass zweite Schenkel (62) der mindestens einen thermoelektrischen Funktionseinheit (80) längs einer zweiten Verbindungsgeraden (81b) positioniert sind, und dass die erste Verbindungsgerade (81a) quer und insbesondere senkrecht zur zweiten Verbindungsgeraden (81b) liegt.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einhüllende (87) der mindestens einen thermoelektrischen Funktionseinheit (80) eine rechteckförmige und insbesondere quadratische Querschnittsfläche aufweist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (60) und/oder der zweite Schenkel (62) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) eine kreisförmige Querschnittsfläche (82, 84) oder eine rechteckförmige und insbesondere quadratische Querschnittsfläche (82, 84) aufweisen.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Brückenlage (64) eine elektrisch leitende erste Brücke (70) aufweist, welche den ersten Schenkel (60) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) elektrisch wirksam kontaktiert, und dass die erste Brückenlage (64) eine zur ersten Brücke beabstandete elektrisch leitende zweite Brücke (72) aufweist, welche den zweiten Schenkel (62) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) elektrisch wirksam kontaktiert.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brücke (70) sowohl einen ersten Schenkel (60) eines ersten thermoelektrischen Elements (58) als auch einen zweiten Schenkel (62) eines weiteren thermoelektrischen Elements (58) elektrisch wirksam kontaktiert.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brücke (72) sowohl einen zweiten Schenkel (62) eines ersten thermoelektrischen Elements (58) als auch einen ersten Schenkel (60) eines weiteren thermoelektrischen Elements (58) elektrisch wirksam kontaktiert.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (86) der ersten Brücke (70) und/oder der zweiten Brücke (72) mindestens so groß ist wie die Summe aus einer ersten Kontaktfläche zwischen dem ersten Schenkel (60) und der ersten Brücke (70) und einer zweiten Kontaktfläche zwischen dem zweiten Schenkel (62) und der zweiten Brücke (72).
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Brückenlage (64) stoffschlüssig mit der ersten Isolierlage (50) und/oder dem ersten Schenkel (60) und/oder dem zweiten Schenkel (62) verbunden ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Brückenlage (66) eine elektrisch leitende dritte Brücke (74) aufweist, welche sowohl den ersten Schenkel (60) als auch den zweiten Schenkel (62) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) elektrisch wirksam kontaktiert.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche der dritten Brücke (74) mindestens so groß ist wie die Summe aus einer ersten Kontaktfläche zwischen dem ersten Schenkel (60) und der dritten Brücke (74) und einer zweiten Kontaktfläche zwischen dem zweiten Schenkel (62) und der dritten Brücke (74).
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Brückenlage (66) stoffschlüssig mit der zweiten Isolierlage (54) und/oder mit dem ersten Schenkel (60) und/oder mit dem zweiten Schenkel (62) verbunden ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (60) und/oder der zweite Schenkel (62) eine der ersten Isolierlage (50) zugewandte Kontaktfläche aufweist, welche rechteckförmig und insbesondere quadratisch ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Schenkel (60) und/oder der zweite Schenkel (62) eine der zweiten Isolierlage (54) zugewandte Kontaktfläche aufweist, welche rechteckförmig und insbesondere quadratisch ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (78) einer Isoliereinheit (76) der ersten Isolierlage (50) und/oder eine Querschnittsfläche (78) einer Isoliereinheit (76) der zweiten Isolierlage (54) mindestens so groß ist wie eine Querschnittsfläche einer Einhüllenden (87) der thermoelektrischen Funktionseinheit (80).
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindungsstrecke (89) zwischen dem ersten Schenkel (60) und dem zweiten Schenkel (62) des mindestens einen thermoelektrischen Elements (58) quer und insbesondere senkrecht zu einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) geführten Heißmediumstroms (16) liegt.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 24, gekennzeichnet durch mindestens einen Funktionsabschnitt (88), welchem eine Mehrzahl thermoelektrischer Funktionseinheiten (80) zugeordnet ist, wobei die thermoelektrischen Funktionseinheiten (80) innerhalb des mindestens einen Funktionsabschnitts (88) bezüglich geometrischer Eigenschaften und/oder Materialeigenschaften gleichartig ausgebildet sind.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl unterschiedlicher Funktionsabschnitte (88; 88a, 88b, 88c) längs einer Haupt-Strömungsrichtung eines durch die Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) geführten Heißmediumstroms (16) angeordnet ist, und insbesondere, dass die den jeweiligen unterschiedlichen Funktionsabschnitten (88) zugeordneten thermoelektrischen Funktionseinheiten (80) bezüglich der geometrischen Eigenschaften und/oder Materialeigenschaften variierend ausgebildet sind.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass in den unterschiedlichen Funktionsabschnitten (88; 88a', 88b', 88c') ein Abstand (s₃) zwischen thermoelektrischen Funktionseinheiten (80) in einer Richtung parallel zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms (16) und/oder ein Abstand (s₄) zwischen thermoelektrischen Funktionseinheiten (80) in einer Richtung senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms (16) variiert.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (s₃) parallel zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms (16) und/oder der Abstand (s₄) senkrecht zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms (16) zwischen thermoelektrischen Funktionseinheiten (80) in längs zur Haupt-Strömungsrichtung des Heißmediumstroms (16) aufeinanderfolgenden Funktionsabschnitten (88; 88a', 88b', 88c') abnimmt oder zunimmt.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Elemente (58) der thermoelektrischen Funktionseinheiten (80) innerhalb des mindestens einen Funktionsabschnitts (88) in Reihe geschaltet sind.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrische Moduleinrichtung (20) in einem Innenraum (94) eines Kapselgehäuses (96) angeordnet ist, und insbesondere dass der Innenraum (94) gasdicht und/oder fluiddicht geschlossen ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass das Kapselgehäuse (96) mindestens eine Wandung (98) aufweist, welche zwischen der Heißseite (38) der Heißwärmeübertragungseinrichtung (12) und der Kaltseite (46) der Kaltwärmeübertragungseinrichtung (14) angeordnet ist.
Thermoelektrische Generatorvorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein mit der thermoelektrischen Moduleinrichtung (20) elektrisch wirksam verbundener Anschluss (90) durch die mindestens eine Wandung (98) nach außen geführt ist.