HUBER, Norbert (Schwabenstrasse 22, Erlangen, 91052, DE)
Patentansprüche
1. Thermoelektrische Einrichtung mit a) einem thermoelektrischen Generator (112), einer Wärme- quelle (117) und einer Wärmesenke (111), wobei der ther ¬ moelektrische Generator (112) auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle (117) und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke (111) thermisch verbunden ist, b) einer Kammer (114), - die großflächig mit der Wärmequelle (117) und dem thermoelektrischen Generator (112) thermisch verbunden ist,
- die mit einem verdampfbaren Arbeitsmedium (118) zumindest weitgehend ausgefüllt ist und - in der flüssiges und gasförmiges Arbeitsmedium (118) bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulieren kann, und c) Mitteln zu einer Temperaturbegrenzung an dem thermo- elektrischen Generator (112), wobei das Arbeitsmedium (118) eine Siedetemperatur (T s ) aufweist, die unterhalb einer kritischen Temperatur (141) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (112) dauer- haft Schaden nimmt, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Mittel zu einer Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator (112) die Kammer (114) und ein mit ihr verbundenes Rohrleitungssystem (115) umfassen, in das ein Rückkühler (116) integriert ist, wobei
- die Kammer (114) flach, mit sich gegenüberliegende Flächen ausgebildet ist,
- die Abmessungen der Kammer (114) an die des thermoelek- trischen Generators (112) angepasst sind,
- die Kammer (114) mit einer der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der Wärmequelle (117) und der anderen großflächig mit dem thermoelektrischen Generator (112) thermisch verbunden ist,
- der Rückkühler (116) an einem geodätisch gegenüber der Kammer (114) höher gelegenen Ort in das Rohrleitungssystem (115) integriert ist,
- das Rohrleitungssystem (115) derart ausgestaltet ist, dass ein gasförmiger Anteil des Arbeitsmediums (118) zur Rück ¬ verflüssigung von der Kammer (114) ungehindert zu dem Rückkühler (116) aufsteigen kann, und
- flüssiges und gasförmiges Arbeitsmedium (118) zumindest in Teilen der Kammer (114) und des Rohrleitungssystems (115) bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulieren kann.
2. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperaturbegrenzung eine flache, sich gegenüberliegende Flächen aufweisende zweite Kammer (121) aufweisen,
- deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators (112) angepasst sind,
- die mit einer der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der Wärmequelle (117) und mit der anderen großflä ¬ chig mit der ersten Kammer (114) verbunden ist und - die mit einem zweiten, schmelzbaren Arbeitsmedium (122) zumindest weitgehend ausgefüllt ist, wobei das zweite Arbeitsmedium (122) eine Schmelztemperatur (T L ) aufweist, die unterhalb einer kritischen Temperatur (141) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (112) dauerhaft Schaden nimmt.
3. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperaturbegrenzung eine flache, sich gegenüberliegende Flächen aufweisende zweite Kammer (121) aufweisen,
- deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators
(112) angepasst sind, - die mit einer der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der ersten Kammer (114) und mit der anderen großflächig mit dem thermoelektrischen Generator (112) verbunden ist und
- die mit einem zweiten, schmelzbaren Arbeitsmedium (122) zumindest weitgehend ausgefüllt ist, wobei das zweite Arbeitsmedium (122) eine Schmelztemperatur (T L ) aufweist, die unterhalb einer kritischen Temperatur (141) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (112) dauerhaft Schaden nimmt.
4. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3, da- durch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsmedium (122) eine Schmelztemperatur (T L ) aufweist, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur (142) des thermoelektrischen Generators (112) entspricht, wobei die Arbeitstempera ¬ tur (142) unterhalb der kritischen Temperatur (141) liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator (112) dauerhaft Schaden nimmt.
5. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsmedium (122) eine Schmelztemperatur (T L ) aufweist, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur (142) des thermoelektrischen Generators (112) entspricht, wobei die Arbeits ¬ temperatur (142) unterhalb der Siedetemperatur (T s ) des ersten Arbeitsmediums (118) liegt.
6. Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsmedium (122) in flüssi ¬ gem Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in festem Zustand.
7. Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkühler (116) einen weite- ren thermoelektrischen Generator (172) aufweist, der thermisch
- auf einer ersten Seite mit einer mit dem Rohrleitungssystem (115) verbundenen dritten Kammer (171) verbunden ist und
- auf einer zweiten Seite mit einer weiteren Wärmesenke (173) verbunden ist.
8. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (117) zumindest mit Teilen eines Abgassystems (152) einer Verbren ¬ nungsmaschine (151) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Abgassystems (152) gebildet ist.
9. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke (111) zumindest mit Teilen eines Kühlsystems (161) einer Verbren ¬ nungsmaschine (151) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Kühlsystems (161) gebildet ist.
10. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesenke
(111) mit einer durch einen Luftzug zu kühlenden Fläche (162) thermisch verbunden ist.
11. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rückkühler
(116) mit zumindest Teilen eines Kühlsystems (161) einer Verbrennungsmaschine (151) thermisch verbunden ist oder durch zumindest Teile des Kühlsystems (161) gebildet ist.
12. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungs ¬ maschine (151) Teil eines Kraftfahrzeugs ist.
13. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ar ¬ beitsmedium (118) ein öl, vorzugsweise ein Motorenöl, mit einer Siedetemperatur zwischen 100 0 C und 500 0 C bei einem Druck zwischen 2 bar und 5 bar ist.
14. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das als erstes Arbeitsmedium (118) vor ¬ gesehene öl eine Siedetemperatur zwischen 200 0 C und 300 0 C bei dem Druck zwischen 2 bar und 5 bar aufweist.
15. Thermoelektrische Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Arbeitsmedium
(122) ein Lot ist.
16. Thermoelektrische Einrichtung gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Lot Blei, Tellur oder Wismut zumin- dest als Legierungspartner enthält. |
Beschreibung
Thermoelektrische Einrichtung mit einem thermoelektrischen Generator und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Genera- tor
Die Erfindung bezieht sich auf eine thermoelektrische Ein ¬ richtung mit a) einem thermoelektrischen Generator, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke, wobei der thermoelektrische Generator auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke thermisch verbunden ist, b) einer Kammer,
- die großflächig mit der Wärmequelle und dem thermoelekt- rischen Generator thermisch verbunden ist,
- die mit einem verdampfbaren Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist und
- in der flüssiges und gasförmiges Arbeitsmedium bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulieren kann, und c) Mitteln zu einer Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator, wobei das Arbeitsmedium eine Siedetemperatur T s aufweist, die un- terhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt. Eine solche thermoelektrische Einrichtung geht aus der US 3, 881, 962 hervor.
Die direkte Umwandlung von Wärme in elektrische Energie ist mit Hilfe eines sogenannten thermoelektrischen Generators möglich. Ein thermoelektrischer Generator ist ein Bauteil aus zwei verschiedenen, miteinander verbundenen Materialien, vorzugsweise zwei verschiedenen oder verschieden dotierten HaIb- leitern, welches aufgrund des Seebeck-Effektes eine elektri ¬ sche Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstellen der unterschiedlichen Materialien unterschiedliche Temperaturen haben.
Der Seebeck-Effekt beschreibt die Entstehung einer elektri ¬ schen Spannung in einem elektrischen Leiter entlang eines Temperaturgradienten, bedingt durch Thermodiffusionsströme . Um den Seebeck-Effekt technisch nutzen zu können, ist es nö- tig, zwei verschiedene elektrische Leiter mit unterschiedli ¬ cher elektronischer Wärmekapazität miteinander in Kontakt zu bringen. Aufgrund der unterschiedlichen elektronischen Wärmekapazität haben bei gleicher Temperatur die Elektronen in den beiden Leitern unterschiedliche Bewegungsenergien. Bringt man diese Leiter miteinander in Kontakt, so wird ein Diffusions ¬ strom höherenergetischer Elektronen in Richtung des Leiters mit den niederenergetischen Elektronen entstehen, so lange, bis sich ein dynamisches Gleichgewicht einstellt. Seien diese beiden unterschiedlichen Leiter mit A und B bezeichnet und in der Reihenfolge A-B-A in Kontakt gebracht, und befinden sich ferner der übergang A-B auf einer Temperatur Ti und der übergang B-A auf einer Temperatur T 2 , so ist die entstehende Spannung lediglich von der Differenz der Temperaturen Ti und T 2 sowie dem jeweiligen Seebeck-Koeffizienten der beiden Lei- ter A und B abhängig. Folglich ist eine an einem thermoelek- trischen Generator abgreifbare Spannung lediglich von der an den thermischen Generator angelegten Temperaturdifferenz und den Seebeck-Koeffizienten der verwendeten Materialien abhängig.
Im Prinzip kann ein thermoelektrischer Generator analog zu einem Peltier-Element aufgebaut sein. Auch können für einen thermoelektrischen Generator gleiche oder ähnliche Materialien wie zur Herstellung von Peltier-Elementen, wie z.B. Wismut-Tellurit oder Silicium-Germanium, verwendet werden.
Durch den Einsatz von Halbleitermaterialien lässt sich der Wirkungsgrad eines thermoelektrischen Generators für die Um ¬ wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie bis auf einige Prozent steigern. In letzter Zeit werden thermoelek- trische Generatoren verstärkt zur Nutzung der Abgas-Abwärme, z.B. bei Kraftfahrzeugen, Blockheizkraftwerken oder Müllverbrennungsanlagen, eingesetzt.
DE 33 14 166 Al offenbart ein thermoelektrisches System mit einem hohen Wirkungsgrad. Ausgehend von einem heißen Fluid- strom, z.B. einem Abgasstrom, werden mit Rippen, zur besseren thermischen Anbindung, versehene Wärmeleitungsrohre einseitig erhitzt. Die von dem Fluidstrom erhitzten Wärmeleitungsrohre leiten die Wärme an die thermoelektrischen Generatoren, welche an der gegenüber liegenden Seite der Wärmeleitungsrohre montiert sind und als Wärmesenke fungieren. Die Wärmelei- tungsrohre sind zur Verbesserung ihrer Wärmeleitfähigkeit mit einem Arbeitsfluid gefüllt, welches am heißen Teil der Wärme ¬ leitungsrohre verdampft und an dem etwas kälteren Teil, an welchem die thermoelektrischen Generatoren angeordnet sind, rekondensiert. Mit Hilfe des in DE 33 14 166 Al offenbarten thermoelektrischen Systems kann eine besonders effektive Wär- meankopplung von thermoelektrischen Generatoren z.B. an einen Abgasstrom erreicht werden. Das offenbarte System ist insbe ¬ sondere für den Einsatz im Hochtemperaturbereich, bei Arbeitstemperaturen von mehr als 400 0 C geeignet.
US 4,125,122 A offenbart eine Methode und Vorrichtung zur thermoelektrischen Umwandlung von Wärme in elektrische Energie. Die offenbarte Vorrichtung ist als Wärmetauscher konzipiert, welcher nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Die be- kannte Vorrichtung sieht zwei voneinander getrennte Kreisläu ¬ fe vor, in denen Medien zur Wärmeübertragung zirkulieren. Ein erstes Medium transportiert Wärme von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Mindestens ein erstes Wärmeleitungsrohr steht in thermischem Kontakt mit der heißen Strömung des ers- ten Mediums; mindestens ein zweites Wärmeleitungsrohr steht in thermischem Kontakt mit der kälteren Strömung des ersten Mediums. Bei der bekannten Vorrichtung befinden sich die thermoelektrischen Generatoren in thermischem Kontakt sowohl mit einem der heißen wie auch mit einem der kälteren Wärme- leitungsrohre . Innerhalb der Wärmeleitungsrohre zirkuliert ein zweites Medium in einem zweiten, durch einen Thermosi- phoneffekt angetriebenen Kreislauf. Bei demjenigen Wärmelei ¬ tungsrohr, welches sich in thermischem Kontakt mit der heißen
Strömung des ersten Mediums befindet, zirkuliert das sich in ¬ nerhalb des Wärmeleitungsrohres befindliche zweite Medium gasförmig von einem heißen, in thermischem Kontakt mit dem ersten Medium befindlichen Ende des Wärmeleitungsrohres zu einem kälteren, in thermischem Kontakt mit dem thermoelektri- schen Generator befindlichen Ende. An diesem Ende, welches sich in thermischem Kontakt mit dem thermoelektrischen Generator befindet, kondensiert das gasförmige zweite Medium und gibt auf diese Weise die Kondensationswärme an den thermo- elektrischen Generator ab. Das zweite Medium gelangt in flüssiger Phase zurück an das erste Ende des Wärmeleitungsrohres, wo es erneut verdampft.
Bei der aus der genannten US 4,125,122 A zu entnehmenden Vor- richtung erfolgt also in dem Wärmeleitungsrohr, welches sich in thermischem Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators befindet, eine Zirkulation des zweiten Mediums, in dem es der, in thermischem Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators stehenden Seite des Wärmeleitungsrohres verdampft, und an der (noch) kälteren
Seite des Wärmeleitungsrohres, welche in Kontakt mit dem ers ¬ ten Medium steht, kondensiert.
Sowohl das in DE 33 14 166 Al wie auch das in US 4,125,122 A offenbarte thermoelektrischen System verfolgt das Ziel einer möglichst effektiven und verlustfreien thermischen Ankopplung der thermoelektrischen Generatoren an ein heißes Arbeits- fluid. Bei diesen Systemen besteht jedoch die Gefahr, dass ihre thermoelektrischen Generatoren zu hohen Temperaturen ausgesetzt werden und deshalb Schaden nehmen können.
Eine thermoelektrische Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen ist der genannten US 3,881,962 zu entnehmen. Bei dieser Einrichtung ist ein mit einem verdampfbaren Arbeitsme- dium gefülltes kammerartiges Rohrleitungssystem vorhanden, das sich zwischen einem als Wärmequelle anzusehenden Erhitzungsbereich und einem als Wärmesenke anzusehenden Kondensor verläuft. Zu einer eine Schädigung ausschließende Temperatur-
begrenzung an einem thermoelektrischen Modul ist dieses von dem Kondensor räumlich getrennt angeordnet. Außerdem ist an den Kondensorraum zusätzlich eine Rohrleitung angeschlossen, die zu einem geodätisch höher liegenden Druckventil führt, mit dessen Hilfe der Druck des Arbeitsmediums und damit der thermische Fluss von dem Erhitzungsbereich zu dem Kondensor begrenzt werden kann. Eine derartige Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Modul ist konstruktiv aufwendig.
Eine weitere thermoelektrische Einrichtung mit zwei thermo ¬ elektrischen Generatoren, einer Wärmequelle und einer Wärmesenke geht auch aus der JP 2003-219 671 A hervor. Es kommen zwei Arbeitmedien mit unterschiedlichen Siedetemperaturen zum Einsatz .
Auch bei einem Energiegewinnungssystem mit einem thermoelektrischen Generator für Hybrid-Automobile, wie es der WO 2004/092662 Al zu entnehmen ist, werden zwei Arbeitsmedien verwendet. Eines der Arbeitsmedien dient dabei zur Kühlung einer Wärmesenke, während das andere Arbeitsmedium mit einer Wärmequelle des Automobils verbunden ist.
Aus der JP 5-343 751 A ist ein thermoelektrischer Generator einer Solaranlage zu entnehmen, bei dem Wasser als ein ver- dampfbares Arbeitsmedium verwendet wird. Eine Temperaturbe ¬ grenzung an dem thermoelektrischen Generator wird durch die Verdampfung des Wassers bei seiner Siedetemperatur erreicht.
Ein aus der EP 1 522 685 Al entnehmbares System zur Abgaskon- trolle eines Automobils umfasst einen thermoelektrischen Ge ¬ nerator mit Mitteln zu einer Temperaturbegrenzung. Hierbei lassen sich verschieden Arbeitsmedien wie öl zum Wärmetransport von einem Abgassystem als Wärmequelle zu dem thermo ¬ elektrischen Generator verwenden. Eine mit den Temperaturver- hältnissen veränderbare Wärmekontaktfläche zu dem thermo ¬ elektrischen Generator, insbesondere unter Verwendung eines schmelzbaren Lotmaterials, führt zu einer Temperaturbegrenzung an dem Generator.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine thermoelek- trische Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, bei der eine gute Anpassung an die jeweiligen Tempe- raturverhältnisse derart ermöglicht wird, dass dann die ge ¬ nannte Gefahr einer unzulässigen überhitzung nicht besteht.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Der Erfindung liegt dabei die überlegung zugrun- de, die latente Wärme eines Phasenübergangs zum Schutz eines thermoelektrischen Generators vor überhitzungen auszunutzen. Erfindungsgemäß soll die thermoelektrische Einrichtung einen thermoelektrischen Generator, eine Wärmequelle und eine Wärmesenke aufweisen, wobei der thermoelektrische Generator auf einer ersten Seite mit der Wärmequelle und auf einer zweiten Seite mit der Wärmesenke thermisch verbunden ist. Die thermo ¬ elektrische Einrichtung soll weiterhin eine Kammer aufweisen, die großflächig mit der Wärmequelle und dem thermoelektrischen Generator thermisch verbunden ist, die mit einem ver- dampfbaren Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt ist und in der flüssiges und gasförmiges Arbeitsmedium bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulieren kann. Außerdem sollen Mittel zu einer Temperaturbegrenzung an dem thermoelektrischen Generator vorhanden sein. Dabei soll das Ar- beitsmedium eine Siedetemperatur T s aufweisen, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt.
Erfindungsgemäß sollen die Mittel zu einer Temperaturbegren- zung an dem thermoelektrischen Generator die Kammer und ein mit ihr verbundenes Rohrleitungssystem umfassen, in das ein Rückkühler integriert ist. Dabei
- soll die Kammer flach mit sich gegenüberliegende Flächen ausgebildet sein, - sollen die Abmessungen der Kammer an die des thermoelektrischen Generators angepasst sein,
- soll die Kammer mit einer der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der Wärmequelle und der anderen groß-
flächig mit dem thermoelektrischen Generator thermisch verbunden sein,
- soll der Rückkühler an einem geodätisch gegenüber der Kammer höher gelegenen Ort in das Rohrleitungssystem inte- griert ist sein,
- soll das Rohrleitungssystem) derart ausgestaltet sein, dass ein gasförmiger Anteil des Arbeitsmediums zur Rückverflüs ¬ sigung von der Kammer ungehindert zu dem Rückkühler aufsteigen kann, und
- sollen flüssiges und gasförmiges Arbeitsmedium zumindest in Teilen der Kammer und des Rohrleitungssystems bedingt durch einen Thermosiphoneffekt zirkulieren können.
Die mit dieser Ausgestaltung der thermoelektrischen Einrichtung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass bei einer steigenden Temperatur der Wärmequelle der mittels der flüssigkeitsgefüllten Kammer an diese thermisch gekoppelte thermoelektrische Generator vor thermischer Zerstö- rung geschützt wird. Erreicht die Wärmequelle die Siedetempe ¬ ratur des Arbeitsmediums, so wird überschüssige Wärmeenergie, die sonst zu einer Belastung des thermoelektrischen Generators beitragen würde, durch den Phasenübergang des Arbeitsmediums umgewandelt. Im Fall einer weiteren Wärmezufuhr wird verdampftes Arbeitsmedium an dem Rückkühler rückverflüssigt, und auf diese Weise überschüssige Energie abgeführt. Insbe ¬ sondere vorteilhaft ist, dass in der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung thermoelektrische Generatoren eingesetzt werden können, die eine Arbeitstemperatur aufweisen, die unterhalb der Temperatur der Wärmequelle liegt. Weiterhin vorteilhaft können bei schwankender Temperatur der Wärmequelle etwaig auftretende Temperaturspitzen abgefangen werden.
Eine Flüssigkeit weist vielfach eine geringere thermische Leitfähigkeit als ein Festkörper auf. Dem von der Wärmequelle ausgehenden Wärmestrom wird durch die oben beschriebene Anordnung ein weiterer Widerstand entgegengesetzt. Die kann zu
einem zusätzlichen Schutz des thermoelektrischen Generators beitragen .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermo- elektrischen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach diesem Anspruch mit den Merkmalen eines der zugeordneten Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren dieser Unteransprüche kombiniert werden. Demgemäß kann die thermo- elektrische Einrichtung nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:
- So können die Mittel zur Temperaturbegrenzung eine flache, sich gegenüberliegende Fläche aufweisende zweite Kammer aufweisen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sein können, die mit einer der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der Wärmequelle und mit der anderen großflächig mit der ersten Kammer verbunden sein kann und die mit einem zweiten, schmelzbaren Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt sein kann. Dabei soll das zweite Arbeitsmedium eine Schmelztemperatur T L aufweisen, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dau ¬ erhaft Schaden nimmt.
- Insbesondere vorteilhaft an dieser Ausgestaltung der thermoelektrischen Einrichtung ist, dass überschüssige Wärme ¬ energie, welche von der Wärmequelle ausgeht, als latente Wärme des Phasenübergangs „fest-flüssig" des zweiten Ar ¬ beitsmediums gespeichert werden kann. Bei wechselnder Tem- peratur der Wärmequelle können auf diese Weise die Tempe ¬ raturspitzen abgefangen und gespeichert werden. Die gespeicherte Wärmeenergie wird bei sinkender Temperatur der Wärmequelle in Form der Erstarrungswärme dem thermoelek ¬ trischen Generator wieder zugefügt. Auf diese Weise kann die an dem thermoelektrischen Generator anliegende Temperaturdifferenz auf einem gewünschten Wert gehalten werden, so dass stets eine möglichst konstante Leistung von dem
thermoelektrischen Generator abgefragt werden kann.
Alternativ können die Mittel zur Temperaturbegrenzung eine flache, sich gegenüberliegende Flächen aufweisende zweite Kammer aufweisen, deren Abmessungen an die des thermoelektrischen Generators angepasst sein können, die mit ei ¬ ner der sich gegenüberliegenden Flächen großflächig mit der ersten Kammer und mit der anderen großflächig mit dem thermoelektrischen Generator verbunden sein kann und die mit einem zweiten, schmelzbaren Arbeitsmedium zumindest weitgehend ausgefüllt sein kann. Dabei soll das zweite Ar ¬ beitsmedium eine Schmelztemperatur T L aufweisen, die unterhalb einer kritischen Temperatur liegt, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt. Durch eine derartige Anordnung der zweiten Kammer wird erreicht, dass der von der Wärmequelle ausgehende Wärmestrom zunächst die zweite Kammer passiert, bevor er die erste mit einer verdampfbaren Flüssigkeit gefüllte Kammer pas ¬ siert, um schließlich zu dem thermoelektrischen Generator zu gelangen. Steigt die Temperatur der Wärmequelle an, wird bei Erreichen der Schmelztemperatur des zweiten Arbeitsmediums Wärmeenergie, bedingt durch den Phasenüber ¬ gang „fest-flüssig" des zweiten Arbeitsmediums, welches sich in der zweiten Kammer befindet, gespeichert. Bei wei- ter steigender Temperatur oder gleich bleibend hoher Temperatur und anhaltendem Wärmestrom wird Wärmeenergie durch den Phasenübergang „flüssig-gasförmig" des ersten Mediums umgesetzt. Durch Kondensation von gasförmigem erstem Arbeitsmedium an dem Rückkühler wird überschüssige Wärme letztlich über diesen abgeführt. Die vorbeschriebene Aus ¬ gestaltung ist insbesondere daher vorteilhaft, da erst in dem Fall, dass der Wärmespeicher gesättigt ist, überschüs ¬ sige Wärme über den Rückkühler abgeführt wird. Auf diese Weise kann der Gesamtwirkungsgrad der thermoelektrischen Einrichtung verbessert werden und gleichzeitig ein effek ¬ tiver Schutz des thermoelektrischen Generators vor überhitzungen sichergestellt werden.
Das zweite Arbeitsmedium kann eine Schmelztemperatur aufweisen, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Generators entspricht, wo ¬ bei die Arbeitstemperatur unterhalb der kritischen Tempe- ratur liegen kann, oberhalb derer der thermoelektrische Generator dauerhaft Schaden nimmt. Besonders vorteilhaft kann, gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, der thermoelektrische Generator durch Aufschmelzen und Erstarren des zweiten Arbeitsmediums auf einer optimalen Ar- beitstemperatur gehalten werden.
Das zweite Arbeitsmedium kann aber auch eine Schmelztempe ¬ ratur aufweisen, die im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Generators entspricht, wobei die Arbeitstemperatur unterhalb der Siede- temperatur des ersten Arbeitsmediums liegen kann. Durch die beschriebene Wahl der Schmelztemperatur des zweiten Arbeitsmediums und der Siedetemperatur des ersten Arbeits ¬ mediums kann der thermoelektrische Generator auf einer ge ¬ wünschten Arbeitstemperatur gehalten werden. Bei steigen- der Temperatur der Wärmequelle über die bevorzugte Ar ¬ beitstemperatur des thermoelektrischen Generators wird die überschüssige Wärme zunächst durch den Phasenübergang des zweiten Mediums von fest nach flüssig in latente Wärme überführt. Erst in dem Fall, dass die Temperatur der Wär- mequelle nach Erschöpfung des Wärmespeichers weiter steigt, wird die Siedetemperatur des ersten Arbeitsmediums erreicht, und überschüssige Wärme abgeführt. Sinkt die Temperatur der Wärmequelle kann die Erstarrungswärme des zweiten Mediums an den thermoelektrischen Generator abge- geben werden.
Das zweite Arbeitsmedium kann in flüssigem Zustand eine geringere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als in festem Zu ¬ stand. Jedes physikalische Bauteil hat einen spezifischen thermischen Widerstand. Liegt der thermische Widerstand der flüssigen Phase eines Materials höher als der thermische Widerstand der festen Phase, so steigt bei über ¬ schreiten der Schmelztemperatur der thermische Widerstand
des entsprechenden Materials an. Wird ein solches Material als zweites Arbeitsmedium in einer thermoelektrischen Einrichtung verwendet, so kann ein verbesserter Schutz des thermoelektrischen Generators durch einen Anstieg des thermischen Widerstands des zweiten Arbeitsmediums er ¬ reicht werden.
- Der Rückkühler kann einen weiteren thermoelektrischen Generator aufweisen, der thermisch auf einer ersten Seite mit einer mit dem Rohrleitungssystem verbundenen dritten Kammer und auf einer zweiten Seite mit einer Wärmesenke verbunden ist. Durch eine derartige Ausgestaltung des Rückkühlers kann auch die über den Rückkühler abgeführte Wärme noch zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wer- den. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der thermo ¬ elektrischen Einrichtung verbessert werden.
- Die Wärmequelle kann zumindest mit Teilen eines Abgassys ¬ tems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder kann durch zumindest Teile des Abgassystems gebildet sein. Durch den Einsatz eines thermoelektrischen Generators, welcher thermisch mit dem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine gekoppelt ist, kann die Abgaswärme einer solchen Verbrennungsmaschine genutzt werden.
- Die Wärmesenke kann zumindest mit Teilen eines Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder kann durch zumindest Teile des Kühlsystems gebildet sein. Zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators wird zur Aufrechterhaltung einer über dem thermoelektrischen Generator abfallenden Temperaturdifferenz eine Wärmequelle und eine Wärmesenke benötigt. Eine Verbrennungsmaschine weist typischerweise ein Kühlsystem auf und erlaubt es deshalb, auf diese Weise einfach und effektiv eine Wärmesenke für den thermoelektrischen Generator bereitzustellen.
Die Wärmesenke kann mit einer durch einen Luftzug zu küh ¬ lenden Fläche thermisch verbunden sein. Indem eine mittels
eines Luftzugs zu kühlende Fläche als Wärmesenke für einen thermoelektrischen Generator verwendet wird, kann ein einfaches robustes und preiswertes Bauteil als Wärmesenke für den thermoelektrischen Generator angegeben werden.
- Der Rückkühler kann mit zumindest Teilen eines Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine thermisch verbunden sein oder durch zumindest Teile des Kühlsystems gebildet sein. Die thermische Ankopplung des Rückkühlers an das Kühlsystem einer Verbrennungsmaschine gewährt ähnliche oder teilweise gleiche Vorteile wie die thermische Ankopplung einer Wär ¬ mesenke an das Kühlsystem einer Verbrennungsmaschine.
- Die Verbrennungsmaschine kann Teil eines Kraftfahrzeugs sein. Heutige Kraftfahrzeuge benötigen zum Betrieb ver ¬ schiedener elektronischer Einrichtungen immer größere Mengen elektrischer Energie. Die Nutzung der Abgaswärme der Verbrennungsmaschine des Kraftfahrzeugs senkt den Primär ¬ energiebedarf des Kraftfahrzeugs zur Deckung der benötig- ten elektrischen Energie.
- Das erste Arbeitsmedium kann ein öl, vorzugsweise ein Mo ¬ torenöl, mit einer Siedetemperatur zwischen 100 0 C und 500 0 C, vorzugsweise mit einer Siedetemperatur zwischen 200 0 C und 300 0 C, bei einem Druck von 2 bis 5 bar sein. Die angegebenen Temperaturbereiche sind zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators besonders geeignet. Typi ¬ scherweise besitzt das Kühlwasser eines Kühlsystems einer Verbrennungsmaschine maximal eine Temperatur von ca. 100 0 C. Das Kühlwasser kann als Wärmesenke zum Betrieb eines thermoelektrischen Generators eingesetzt werden. Um eine effektive Energieausbeute durch die an den thermo ¬ elektrischen Generator angelegte Temperaturdifferenz zu gewährleisten, sollte sich die warme Seite des thermo- elektrischen Generators auf einer Temperatur von mehr als ca. 200 0 C befinden. Die maximale Belastbarkeit typischer kommerziell gut verfügbarer, thermoelektrischer Generatoren beträgt ca. 300 0 C. Thermoelektrische Generatoren, wel-
che speziell für Hochtemperaturanwendungen ausgelegt sind, verfügen über eine maximale Belastbarkeit von etwa 500 0 C. Da die Siedetemperatur des ersten Arbeitsmediums die maxi ¬ mal von den Mitteln zur Temperaturbegrenzung zugelassene Temperatur definiert, ist ein Siedepunkt des Arbeitsmedi ¬ ums in den angegebenen Temperaturbereichen besonders vorteilhaft.
Das zweite Arbeitsmedium kann ein Lot sein, welches insbe- sondere Blei, Tellur oder Wismut zumindest als Legierungs ¬ partner enthält. Ein Lot, welches eines oder mehrere der vorgenannten Elemente enthält oder von diesen gebildet wird, liefert die für das zweite Arbeitsmedium gewünschten physikalischen Eigenschaften und ist zudem in der techni- sehen Anwendung erprobt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen An- Sprüchen sowie insbesondere aus der nachfolgend erläuterten Zeichnung hervor, in der bevorzugte Ausgestaltungen von erfindungsgemäßen thermoelektrischen Einrichtungen angedeutet sind. Dabei zeigen deren
Figur 1 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung, Figur 2 und 3 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Mittel zur Temperaturbe ¬ grenzung zusätzlich eine zweite, mit einem zweiten Arbeitsmedium gefüllte Kammer umfassen,
Figur 4 eine schematische Darstellung der Temperatur eines thermoelektrischen Generators einer Einrichtung als Funktion der Zeit,
Figur 5 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen des Ab ¬ gassystems einer Verbrennungsmaschine verbunden ist, Figur 6 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen
Einrichtung, wobei die Wärmequelle mit Teilen des Ab-
gassystems verbunden ist und die Wärmesenke und der Rückkühler mit Teilen des Kühlsystems der Verbrennungsmaschine verbunden sind, und
Figur 7 den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei der Rückkühler einen weiteren thermoelektrischen Generator aufweist.
Sich in den Figuren entsprechende Teile sind jeweils mit den ¬ selben Bezugszeichen versehen. Nicht näher ausgeführte Teile sind allgemeiner Stand der Technik.
Figur 1 zeigt den schematischen Aufbau einer thermoelektrischen Einrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Die erfindungsgemäße thermoelektrische Einrichtung, insbesondere im Rahmen einer ihrer besonderen Ausgestaltun- gen, kann besonders vorteilhaft in einem Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungsmaschine verwendet werden, wobei bei Voll ¬ last oder Spitzenlast der Verbrennungsmaschine in der ersten Kammer gasförmiges Arbeitsmedium anfällt. Besonders vorteil ¬ haft kann durch die Verwendung der vorgenannten thermoelekt- rischen Einrichtung bei Voll- oder Spitzenlast der Verbrennungsmaschine, z. B. bei Berganfahrten des Kraftfahrzeugs, der thermoelektrische Generator vor überhitzung geschützt werden. Bei der Einrichtung ist ein thermoelektrischer Generator 112 einseitig großflächig, thermisch mit einer Wärme- senke 111 verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der thermoelektrische Generator 112 mit einer mit einer verdampfbaren Flüssigkeit 118 als einem ersten Arbeitsmedium zumindest großteils gefüllten Kammer 114 verbunden. Die mit der verdampfbaren Flüssigkeit 118 gefüllte Kammer 114 ist wieder- um großflächig, thermisch mit einer Wärmequelle 117 verbunden. Die thermische Verbindung zwischen den vorgenannten Bauteilen kann vorzugsweise durch eine mechanische Verbindung unter Formschluss realisiert sein. Dabei können die vorge ¬ nannten Bauteile z.B. mittels eines Lotes miteinander verbun- den sein. Die thermische Verbindung der Bauteile untereinander kann zusätzlich durch die Verwendung von Wärmeleitpaste verbessert werden. Durch eine an den thermoelektrischen Generator 112 angelegte Temperaturdifferenz, erzeugt dieser e-
lektrische Energie. Der thermoelektrische Generator kann an den Kontakten 113 elektrisch mit einem Verbraucher, Speicher etc. verbunden werden.
Ein thermoelektrischer Generator 112 weist, wie fast jedes elektronische Bauteil, eine maximale thermische Belastbarkeit auf. D.h., es existiert eine vorbestimmte kritische Tempera ¬ tur 141 (vgl. Figur 4), oberhalb derer der thermoelektrische Generator 112 Schaden nehmen kann, wenn er der dieser vorbe- stimmten kritischen Temperatur 141 oder einer höheren Temperatur zu lang ausgesetzt wird. Ein thermoelektrischer Generator 112 ist vorzugsweise aus mehreren miteinander verlöteten Halbleiterelementen aufgebaut. Auch durch eine thermische Belastung des thermoelektrischen Generators 112, die höher als die Schmelztemperatur des zur Verbindung der Halbleiterelemente verwendeten Lots liegt, kann der thermoelektrische Ge ¬ nerator 112 zerstört werden.
Zum Schutz des thermoelektrischen Generators 112 vor thermi- sehen Schäden ist die Kammer 114 mit einem Rohrleitungssystem 115 verbunden, in welches ein Rückkühler 116 integriert ist. Das Rohrleitungssystem 115 kann, wie in Figur 1 angedeutet einseitig mit der Kammer 114 verbunden sein. Ebenso kann das Rohrleitungssystem weitere Teile umfassen, welche an weiteren Stellen mit der Kammer 114 verbunden sind. Auf diese Weise kann das Rohrleitungssystem Teile aufweisen, die z.B. an zwei gegenüberliegenden Seiten der Kammer 114 angeschlossen sind. Ebenso können mehrere Teile des Rohrleitungssystems 114 an einer gemeinsamen Seite der Kammer angeschlossen sein. Das in der Kammer 114 befindliche Arbeitsmedium 118 kann vorzugsweise eine Siedetemperatur T 3 aufweisen, welche einer bevorzug ¬ ten Arbeitstemperatur 143 (vgl. Figur 4) des thermoelektrischen Generators 112 entspricht. Die Siedetemperatur T 3 soll ¬ te vorzugsweise unterhalb der kritischen Temperatur 141 lie- gen, oberhalb derer der thermoelektrische Generator 112 dau ¬ erhaft Schaden nimmt. Weitere Einzelheiten werden im Zusammenhang mit Figur 4 erläutert.
Steigt die Temperatur der Wärmequelle 117 über die Siedetemperatur des Arbeitsmediums T 5 , so verdampfen in der Kammer 114 zumindest Teile des Arbeitsmediums 118. Gasförmiges Ar ¬ beitsmedium 118 kann ungehindert von der Kammer 114 über das Rohrleitungssystem 115 zu dem in das Rohrleitungssystem 115 integrierten Rückkühler 116 aufsteigen. Der Rückkühler 116 befindet sich zu diesem Zweck an einem geodätisch höheren Ort als die Kammer 114. Mittels des Rückkühlers 116 kann gasför ¬ miges Arbeitsmedium 116 rückverflüssigt werden und kann dann durch Schwerkrafteinwirkung zurück in die Kammer 114 gelangen .
Eine Zirkulation von flüssigem und gasförmigem Arbeitsmedium 118 kann sich infolge eines Thermosiphoneffekts in zumindest Teilen der Kammer 114 und des Rohrleitungssystems 115 ein ¬ stellen .
Von der Wärmequelle 117 ausgehende Wärmeenergie kann, vermit ¬ telt durch das in bestimmter Weise verdampfbare Arbeitsmedium 118, an den Rückkühler 116 abgeführt werden. Der thermoelekt- rische Generator 112 kann dabei vor einer thermischen überhitzung geschützt werden.
Thermische Spitzenbelastungen können von der Wärmequelle 117 in zeitlich beschränkter Weise oder auch zeitlich kontinuierlich ausgehen. Weist die Wärmequelle 117 kontinuierlich eine Temperatur auf, die oberhalb der bevorzugten Arbeitstempera ¬ tur 142 des thermoelektrischen Generators 112 und auch oberhalb der Siedetemperatur T 3 des Arbeitsmediums 118 liegt, wird fortlaufend überschüssige Wärme, vermittelt durch das siedende Arbeitsmedium 118, an den Rückkühler 116 abgeführt. Im Falle eines zeitlich begrenzten Temperaturanstiegs der Wärmequelle 117 kann vorübergehend Arbeitsmedium 118 in die gasförmige Phase übergehen und sich anschließend, auch ohne Einwirkung des Rückkühlers 116, an kälteren Teilen, z.B. denen des thermoelektrischen Generators 112, oder an Teilen des Rohrleitungssystems 115 rückverflüssigen.
Das in Figur 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung ist nicht auf eine in Figur 1 dargestellte flache Anordnung von Wärmequelle 117, Kammer 114, thermoelektrischem Generator 112 und Wärmesenke 111 beschränkt. Ebenso vorteilhaft kann eine Vielfachlagen- struktur realisiert werden, die mehrere Wärmequellen 117, Wärmesenken 111 sowie mehrere mit einem Arbeitsmedium 118 gefüllten Kammern 114 und thermoelektrischen Generatoren 112 aufweist. Ebenfalls vorteilhaft kann die thermoelektrische Anordnung in gekrümmter Form ausgestaltet sein.
Figur 2 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei die allgemein aus Figur 1 bekannte Anordnung um eine zweite Kammer 121, welche mit einem schmelzbaren zweiten Arbeitsmedium 122 gefüllt ist, ergänzt wurde. Das zweite Arbeitsmedium 122 kann vorzugsweise eine Schmelztemperatur T L aufweisen, welche unterhalb der Siedetemperatur T 3 des ersten Arbeitsmediums 118 liegt. Wei ¬ tere Einzelheiten werden im Zusammenhang mit Figur 4 näher erläutert. Steigt die Temperatur der Wärmequelle 117 über die Schmelztemperatur T L des zweiten Arbeitsmediums 122, so wird die von der Wärmequelle 117 ausgehende Wärmeenergie zum Auf ¬ schmelzen des zweiten Arbeitsmediums 122 verwendet. Erst wenn das zweite Arbeitsmedium 122 vollständig verflüssigt ist, der Wärmespeicher 121 quasi erschöpft ist, steigt die Temperatur an dem thermoelektrischen Generator 112 über die Schmelztemperatur T L des zweiten Arbeitsmediums 122 an. Bei weiter steigender Temperatur der Wärmequelle 117 wird der Wärmestrom durch in der Kammer 114 siedendes Arbeitsmedium 118 an den Rückkühler 116 abgeführt.
Figur 3 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel, wobei die mit einem zweiten Arbeitsmedium 122 gefüllte zweite Kammer 121 zwischen der mit dem ersten Arbeitsmedium 118 ge- füllten Kammer 114 und dem thermoelektrischen Generator 112 angeordnet ist. Die Schmelztemperatur T L des zweiten Mediums kann vorzugsweise unterhalb der Siedetemperatur T 3 des ersten Mediums 118 liegen. Typischerweise ist die thermische Leitfä-
higkeit einer Flüssigkeit geringer als die thermische Leitfä ¬ higkeit eines Festkörpers. Der von der Wärmequelle 117 ausge ¬ hende Wärmestrom begegnet auf dem Weg zu dem thermoelektri- schen Generator 112 daher zunächst einem Wärmewiderstand in Form der ersten Kammer 114. Wird eine sehr heiße Wärmequelle 117 zum Betrieb des thermoelektrischen Generators 112 verwendet, kann es vorteilhaft sein, durch einen Wärmewiderstand die hohe Temperatur der Wärmequelle zu erniedrigen.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung des Temperaturverlaufs T TEG an der warmen Seite des thermoelektrischen Gene ¬ rators 112, als von der Zeit t abhängige Funktion. Es sei eine konstant hohe Temperatur der Wärmequelle 117 angenommen, die vorzugsweise über der kritischen Temperatur 141 liegen soll, oberhalb derer der thermoelektrische Generator 112 dau ¬ erhaft Schaden nimmt. Die in Figur 4 dargestellte Kurve setzt vorzugsweise ein Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 voraus.
Bei einem Anstieg der Temperatur der Wärmequelle 117 folgt die Temperatur des thermoelektrischen Generators T TEG zunächst dem mit 144 bezeichneten Teil des Graphen. Erreicht die Temperatur des thermoelektrischen Generators 112 die Schmelztemperatur T L des zweiten Arbeitsmediums steigt die Temperatur des thermoelektrischen Generators T TEG auch bei weiterer Wär- mezufuhr zunächst nicht weiter an. Die Lage auf der Tempera ¬ turachse des entstehenden Plateaus wird bestimmt durch die Schmelztemperatur T L des zweiten Mediums 122, die Masse bzw. Wärmekapazität des zweiten Mediums 122 bestimmt die zeitliche Ausdehnung des Plateaus. Die Schmelztemperatur des zweiten Arbeitsmediums 122 entspricht vorzugsweise im Wesentlichen einer bevorzugten Arbeitstemperatur 142 des thermoelektrischen Generators 112.
Erst nachdem das zweite Medium 122 vollständig aufgeschmolzen ist, steigt die Temperatur T TEG des thermoelektrischen Genera ¬ tors 112 weiter an. Aufgrund der geringeren thermischen Leitfähigkeit der flüssigen Phase des zweiten Arbeitsmediums 122 erfolgt der Anstieg der Temperatur gemäß dem in Figur 4 mit
145 bezeichneten Teil der Kurve mit einer flacheren Steigung als zuvor in dem mit 144 bezeichneten Teil des Graphen. Liefert die Wärmequelle 117 weitere Wärmeenergie, steigt die Temperatur des thermoelektrischen Generators 112 auf die Sie- detemperatur T 3 des ersten Arbeitsmediums 118, welche vor ¬ zugsweise im Wesentlichen der maximal zulässigen Arbeitstemperatur 143 des thermoelektrischen Generators 112 entspricht. Gasförmiges Arbeitsmedium 118 kann zu dem Rückkühler 116 aufsteigen und hier rückverflüssigt werden. Auf diese Weise wird überschlüssige Wärmeenergie mittels des gasförmigen zweiten Mediums 118 an den Rückkühler 116 abgeführt.
Auch bei weiter steigender Temperatur der Wärmequelle 117 und/oder einem anhaltenden Wärmestrom auf einem Temperaturni- veau oberhalb der kritischen Temperatur 141, kann ein weiterer Anstieg der Temperatur T TEG des thermoelektrischen Genera ¬ tors 112 mittels der Verdampfung und Rückkühlung des ersten Arbeitsmediums 118 vermieden werden. Auf diese Weise wird die thermische Zerstörschwelle 141 des thermoelektrischen Genera- tors 112 nicht erreicht, und dieser vor thermischer überhit ¬ zung geschützt.
Figur 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung. Bei dem in Figur 5 dar- gestellten Aufbau handelt es sich um einen allgemein aus Figur 1 bekannten Aufbau, der derart erweitert worden ist, dass die Wärmequelle 117 mit Teilen des Abgassystems 152 einer Verbrennungsmaschine 151 verbunden ist. Vorzugsweise kann die Kammer 114 unter Verwendung weiterer, z.B. korrosionsschüt- zender Maßnahmen mit dem Abgassystem 152 einer Verbrennungsmaschine verbunden sein.
Das in Figur 5 dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel ist nicht auf die in der Figur dargestellte Ausführungsform beschränkt. Der Abgasstrom kann ebenfalls durch ein sich verzweigendes Abgasführungssystem 152 geführt werden. Auf diese Weise kann das heiße Abgas der Verbrennungsmaschine 151 in thermischen Kontakt mit einer Vielzahl von thermoelektrischen
Generatoren 112 gebracht werden. Darüber hinaus können die thermoelektrischen Generatoren in einer periodisch aufgebauten Struktur angeordnet sein. So können z.B. je eine erste Kammer 114 und der zugehörige thermoelektrische Generator 112 an den gegenüberliegenden Seiten eines Abgaskanals angeordnet sein. An den kalten Seiten der thermoelektrischen Generatoren 114 kann je ein Kühlkanal oder eine Kühlfahne angeordnet sein, die als Wärmesenke 111 dienen. An diesem Kühlkanal kann wiederum mit seiner kalten Seite je ein weiterer thermoelekt- rischer Generator 112 angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein eine periodische Struktur aus Abgaskanälen, thermoelektrischen Generatoren 112 mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung und Kühlkanälen aufgebaut werden.
Figur 6 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung, wobei gegenüber dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel die Wärmesenke 111 an die Kühlanlage 161 einer Verbrennungsmaschine 151 gekop ¬ pelt ist. Bei der Kühlanlage 161 kann es sich um eine allge- mein bekannte, normalerweise mit Kühlwasser betriebene Kühl ¬ anlage einer Verbrennungsmaschine 151 oder auch um z.B. die ölkühlanlage einer Verbrennungsmaschine 151 handeln. Als ers ¬ tes Arbeitsmedium 118 kann z.B. handelsübliches Schmieröl oder Kühlöl verwendet werden. Ebenso kann ein speziell für die Verwendung in einer thermoelektrischen Einrichtung mit Mitteln zur Temperaturbegrenzung modifiziertes öl verwendet werden .
Das zur Kühlung der Verbrennungsmaschine 151 verwendete Kühl- wasser kann vorzugsweise zur Temperierung der Wärmesenke 111 verwendet werden, also thermisch mit dieser verbunden sein. Weiterhin kann der Rückkühler 116 ebenfalls in das Kühlsystem 161 der Verbrennungsmaschine 151 integriert sein. Auf diese Weise kann auch die Kühlung des Rückkühlers 116 gewährleistet werden und kann dieser auf einer für die Rückverflüssigung von gasförmigem erstem Arbeitsmedium 118 notwendigen Temperatur gehalten werden. Ebenfalls kann eine mittels eines Luft ¬ zuges zu kühlende Fläche 162 thermisch mit der Wärmesenke 111
verbunden sein. Insbesondere kann diese Ausgestaltungsform verwendet werden, wenn die thermoelektrische Einrichtung in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird. Die Fläche 162 kann in diesem Fall z.B. durch den Fahrtwind gekühlt sein.
Figur 7 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer thermoelektrischen Einrichtung. Gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rückkühler 116 als eine weitere thermoelektrische Einrichtung ausgeführt. Zu diesem Zweck ist das Rohrleitungssystem 115 mit einer weiteren dritten Kammer 171 verbunden. Diese dritte Kammer 171 kann zumindest teilweise von dem ersten Arbeitsmedium 118 ausgefüllt sein. Die dritte Kammer 171 ist zumindest ther ¬ misch, vorzugsweise auch mechanisch, mit der warmen Seite eines weiteren thermoelektrischen Generators 172 verbunden.
Die kalte Seite des thermoelektrischen Generators 172 ist mit einer Wärmesenke 173 verbunden. Durch die Integration eines weiteren thermoelektrischen Generators 172 in den Rückkühler 116 kann auch die über den Rückkühler 116 abgeführte Wärme- energie zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt werden. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad der gesamten thermo ¬ elektrischen Einrichtung verbessert werden. Weiterhin kann der Rückkühler 116 auch derart ausgestaltet sein, dass an ¬ stelle eines einzelnen weiteren thermoelektrischen Generators 172 eine Kaskade aus mehreren thermoelektrischen Generatoren 172 zur Rückkühlung des ersten Arbeitsmediums 118 verwendet wird. Die Kaskade aus mehreren thermoelektrischen Generatoren 172 kann in diesem Zusammenhang durch eine thermische Parallelschaltung oder auch durch eine thermische Reihenschaltung erreicht werden. Unter einer thermischen Parallelschaltung ist in diesem Zusammenhang eine thermische Ankopplung mehrerer thermoelektrischer Generatoren 172, die mit ihrer warmen Seite an eine gemeinsame Wärmequelle z.B. die dritte Kammer 171 angeschlossen sind, zu verstehen.
Unter einer thermischen Reihenschaltung ist in dem zuvor genannten Zusammenhang eine thermische Kopplung einer Mehrzahl von thermoelektrischen Generatoren 172 zu verstehen, wobei
jeweils die warme Seite eines thermoelektrischen Generators 172 mit der kalten Seite eines weiteren thermoelektrischen Generators 172 verbunden ist, zu verstehen.