DE112005001129T5

DE112005001129T5 - Thermoelektrisches Wandlersystem und Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades eines thermoelektrischen Wandlersystems

Info

Publication number: DE112005001129T5
Application number: DE112005001129T
Authority: DE
Inventors: Mitsuru Kambe; Hideo Shikata
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Hitachi Powdered Metals Co Ltd
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry; Resonac Corp
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2008-08-07
Also published as: GB0624929D0; WO2005112141A1; JP4751322B2; GB2437996A; GB2437996B; JPWO2005112141A1; US20080023056A1

Abstract

Thermoelektrisches Wandlersystem mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlermodul (5), das mindestens ein Paar thermoelektrischer Elemente (2), eine Wärmeaufnahmezone (6) zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle (3) und eine Strahlungszone (7) aufweist, die auf einer gegenüberliegenden Seite bezüglich der Wärmeaufnahmezone (6) positioniert und durch eine Kühlung (4) kühlbar ist, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmezone (6) und der Strahlungszone (7) erzeugt werden kann, und mit einer kontinuierlichen oder aufgeteilten Wärmeaufnahmeoberfläche (18), die durch eine oder einer Mehrzahl von Oberflächen gebildet ist, und die der Wärmequelle (3) der Wärmeaufnahmezone (6) gegenüberliegt, wobei jede Wärmeaufnahmeoberfläche (18) eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle (3) empfangen kann, wobei das System die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Emissionsvermögen gemäß der von der Wärmequelle (3) empfangenen Wärmemenge aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein thermoelektrisches Wandlersystem zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle und ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrischen Wandlersystems. Genauer gesagt, bezieht sich die Erfindung auf das thermoelektrische Wandlersystem, das zur Verwendung als ein thermoelektrisches Wandlersystem geeignet ist, bei dem die Wärmequelle Abwärme ist, die durch einen Sinterofen, Eisen- oder Nichteisenmetallgewinnungs-Anlagen und dgl. erzeugt wird, und das Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrischen Wandlersystems.
Hintergrund der Technik
Herkömmlicherweise gibt es einen Vorschlag eines Energieerzeugungssystems zum Erzeugen von elektrischer Energie mit einem thermoelektrischen Wandlermodul durch Benutzen von Abwärme, die durch einen Industrieofen erzeugt wird (Patentdokument 1). Dieses Energieerzeugungssystem ist das eine, bei dem eine Kühlplatte als eine Wärmeaufnahmeoberfläche auf einer Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Wandlermoduls an einer Trennwand eines Wasserkühlmantels befestigt ist, der außerhalb eines Kühlraums eines Dauerlauf-Ofens angebracht ist, und eine Wärmeaufnahmeoberfläche auf einer Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Wandlermoduls angeordnet ist, so dass es ein Werkstück als Wärmequelle nicht kontaktiert und Strahlungswärme von dem Werkstück aufnimmt, das in den Kühlraum läuft, nachdem es in einem Wärmeaufrecherhaltenden Raum gesintert wurde, um elektrische Energie zu erzeugen. Wie beispielsweise in 16 gezeigt ist, umfasst bei diesem Energieerzeugungssystem ein thermoelektrisches Wandlermodul 100 eine Mehrzahl von Paaren von thermoelektrischen Elementen vom P-Typ 101a und thermoelektrischen Elementen vom N-Typ 101b, die abwechselnd angeordnet und elektrisch in Reihe durch Elektroden 102 gekoppelt sind, und ist an einer Trennwand 105 des Wasserkühlmantels über eine elektrische Isolierkühlplatte 104 befestigt. Um die Zerstörung der thermoelektrischen Elemente durch thermische Spannung zu verhindern, wird die Hochtemperaturseite des thermoelektrischen Wandlermoduls 100 getrennt von der Wärmequelle installiert, während ein Elektrodenabschnitt zum Verbinden der Elektroden 102 der thermoelektrischen Elemente auf der Hochtemperaturseite gemeinsam mit einem Draht 103 konfiguriert wird, und dadurch eine freie Bewegung der thermoelektrischen Elemente 101a und 101b auf der Hochtemperaturseite ermöglicht. Außerdem ist die Wärmeaufnahmeoberfläche auf der Hochtemperaturseite mit einer großen Anzahl von Wärmekollektorplatten 106 abgedeckt, die aus schwarzen Körpern hergestellt sind, die geeignet aufgeteilt sind, um die Strahlungswärme ohne Weiteres aufzunehmen. Die Bezugsziffer 106 in 16 bezeichnet eine sich bewegende Wärmequelle, und 107 bezeichnet ein Kühlmittel als eine Kühlquelle.

Patentdokument 1: Offengelegtes japanisches Patent Nr. 2002-171776

Im Fall des Erzeugens von elektrischer Energie mit den thermoelektrischen Wandlermodulen durch Benutzen des sich bewegenden Werkstücks als Wärmequelle, während allmählich dessen Temperatur absinkt, wie es im Patentdokument 1 gezeigt wird, unterscheidet sich jedoch die von der Wärmeaufnahmeoberfläche eines thermoelektrischen Wandlermoduls aufgenommene Strahlungswärme erheblich von der eines anderen thermoelektrischen Wandlermoduls oder von derjenigen, die von verschiedenen Teilen der Wärmeaufnahmeoberfläche aufgenommen wird. Somit gibt es ein Problem, dass es unmöglich ist, einen Ausgleich zwischen dem Erhöhen der Benutzung von Abwärme und dem Erhöhen der Ausgabe der Energieerzeugung zu treffen.
Genauer gesagt ist es von einem Gesichtspunkt des wirksamen Verwendens der Abwärme wünschenswert, das thermoelektrische Wandlermodul in der Nähe eines Eingangs einer Kühlzone mit der höchsten Wärmequellentemperatur zu installieren. Abhängig von der Wärmequellentemperatur gibt es jedoch eine Möglichkeit, dass eine maximale Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls überschritten werden kann. Die maximale Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls hängt von einer Betriebstemperatur ab, die durch ein Material des thermoelektrischen Halbleiters, einem Schmelzpunkt eines Verbindungsmaterials, wie beispielsweise einem Hartlot oder einem Klebstoff, der beim Zusammenbau des thermoelektrischen Wandlermoduls verwendet wird, und dgl. bestimmt wird. Im Fall des Verwendens von BiTe als einen thermoelektrischen Halbleiter beträgt die maximale Arbeitstemperatur etwa 220°C, im Fall des Verwendens von FeSi beträgt die maximale Arbeitstemperatur etwa 700°C und im Fall des Verwendens von SiGe beträgt die maximale Arbeitstemperatur etwa 1000°C. Der Schmelzpunkt eines Verbindungsmaterials, wie beispielsweise eines Hartlots oder eines Klebstoffs, sollte höher als die Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls und niedriger als der Schmelzpunkt des thermoelektrischen Halbleiters sein. Aus diesem Grund gibt es eine Möglichkeit, wenn das thermoelektrische Wandlermodul über die maximale Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls 100 erhitzt wird, dass das verbindende Material schmilzt und das thermoelektrische Wandlermodul beschädigt wird.
Auf einer stromabwärtigen Seite der Kühlzone ist die Temperatur der Wärmequelle selbst niedriger, während die Wärmequelle in der Kühlzone läuft. Daher wird eine Arbeits-Temperaturdifferenz für das thermoelektrische Wandlermodul klein, und die Ausgabe des thermoelektrischen Wandlermodulss wird ebenfalls verringert. Im Allgemeinen ist die Ausgabe des thermoelektrischen Wandlermoduls im Wesentlichen proportional zu dem Quadrat der Temperaturdifferenz, mit der der thermoelektrische Halbleiter belastet wird. Daher ist eine Ausgabedifferenz je thermoelektrisches Wandlermodul zwischen dem stromaufwärtigen und stromabwärtigen Bereich der Kühlzone sehr groß.
Somit kann das thermoelektrische Wandlermodul seine beste Leistung nur in einem Bereich stromaufwärts von der Kühlzone geben, wenn die maximale Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls nicht überschritten wird. Weiter stromabwärts kann es lediglich eine Leistung geben, die mehrere Male oder mehrere zehn Male niedriger als diese ist. Aus diesem Grund kann das thermoelektrische Wandlermodul, das mit den aus schwarzen Körpern hergestellten Wärmekollektorplatten abgedeckt ist, lediglich in dem Bereich in einem Temperaturbereichs installiert werden, bei dem die Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlermoduls maximale Arbeitstemperatur nicht überschritten wird und nicht bedeutend niedriger als diese ist. Daher ist die Verwendung der Abwärme nicht effizient genug, was hinsichtlich der Verringerung bei Gerätekosten und Stückkosten der Energieerzeugung nicht wünschenswert ist. Somit ist es schwierig gewesen, ein Energieerzeugungssystem aufzubauen, um eine maximale Ausgabe mit dem thermoelektrischen Wandlermodul zu erhalten, indem als die Wärmequelle die durch den Industrieofen mit der Kühlzone erzeugte Abwärme benutzt, die die Abwärme beinhaltet, wie beispielsweise eines Sinterofens.
Was ein thermoelektrisches Wandlersystem betrifft, das durch Aufnehmen des thermoelektrischen Wandlermoduls aufgebaut wird, ist es bedeutsam, nicht nur im Fall des Benutzens der Abwärme des Sinterofens die Temperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls so nahe wie möglich an der maximalen Arbeitstemperatur zu halten, ohne dass eine obere Grenze der Arbeitstemperatur überschritten wird, um die maximale Ausgabe des thermoelektrischen Wandlersystems zu erhalten. In dem Fall, in dem eine von der Wärmequelle aufgenommene Wärmemenge nicht gleichmäßig auf der gesamten Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlermoduls ist, gibt es jedoch ein Problem, dass sich der Energieerzeugungswirkungsgrad an einer Niedertemperaturstelle verschlechtert, wenn das thermoelektrische Wandlersystem gemäß der maximalen Temperatur aufgebaut ist, und das thermoelektrische Wandlermodul bei einer Hochtemperaturstelle beschädigt wird, wenn das thermoelektrische Wandlermodul gemäß der minimalen Temperatur aufgebaut ist.
Somit besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, das thermoelektrische Wandlersystem und ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrischen Wandlersystems bereitzustellen, bei dem eine in das thermoelektrische Wandlermodul einzugebende Wärmemenge auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger beschränkt ist, um einen einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten, und das thermoelektrische Wandlermodul bei einer Temperatur so nahe wie möglich zu der maximalen Arbeitstemperatur betätigt wird, um eine große kollektive Ausgabe zu erhalten und seinen wirtschaftlichen Wirkungsgrad zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Um die Aufgabe zu erreichen, ist ein erfindungsgemäßes thermoelektrisches Wandlersystem ein System mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlermodul, das mindestens ein Paar von thermoelektrischen Elementen, eine Wärmeaufnahmezone zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle und eine Strahlungszone, die an einer gegenüberliegenden Seite zu der Wärmeaufnahmezone positioniert ist und durch ein Kühlmittel gekühlt wird, umfasst, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmezone und der Strahlungszone erzeugt, eine kontinuierliche oder aufgeteilte Wärmeaufnahmeoberfläche durch eine oder eine Mehrzahl von der Wärmequelle der Wärmeaufnahmezone gegenüberliegenden Oberflächen gebildet wird, und wobei jeder Wärmeaufnahmeoberfläche eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle gegeben wird, wobei das System mit der Wärmeaufnahmeoberfläche eine Mehrzahl von unterschiedlichen Emissionsvermögen gemäß der von der Wärmequelle aufgenommenen Wärmemenge aufweist.
Ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen thermoelektrischen. Wandlersystems ist das Verfahren mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlermodul, das mindestens ein Paar von thermoelektrischen Elementen, eine Wärmeaufnahmezone zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle und eine Strahlungszone aufweist, die auf einer gegenüberliegenden Seite der Wärmeaufnahmezone positioniert ist und durch ein Kühlmittel gekühlt wird, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmezone und der Strahlungszone erzeugt wird, eine kontinuierliche oder aufgeteilte Wärmeaufnahmeoberfläche durch eine oder eine Mehrzahl von Oberflächen gebildet wird, die der Wärmequelle der Wärmeaufnahmezone gegenüberliegen, wobei jeder Wärmeaufnahmeoberfläche eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle gegeben wird, wobei das Verfahren ein Einstellen des Emissionsvermögens jeder der Wärmeaufnahmeoberfläche auf einen unterschiedlichen Wert gemäß einer von der Wärmequelle aufgenommenen Wärmemenge umfasst, um eine in das thermoelektrische Wandlermodul einzugebende Wärmemenge auf eine maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen und um das thermoelektrische Wandlermodul bei einer Temperatur nahe der maximalen Arbeitstemperatur zu betätigen, um eine kollektive Ausgabe zu erhöhen.
Wenn das Emissionsvermögen niedriger wird, wird die Wärmeaufnahmeoberfläche weniger Wärme-absorbierend und das thermoelektrische Wandlermodul wird weniger beheizbar. Umgekehrt wird, wenn das Emissionsvermögen höher wird, die Wärmeaufnahmeoberfläche mehr Wärme-absorbierend und das thermoelektrische Wandlermodul wird beheizbarer. Daher sollte die Wärmeaufnahmeoberfläche zum Aufnehmen einer großen Menge von Wärme von der Wärmequelle ein niedriges Emissionsvermögen aufweisen, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche weniger beheizbar werden kann, um eine Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen und den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten. Außerdem kann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche und einer Kühloberfläche größer wird, ein hoher Energieerzeugungswirkungsgrad erzielt werden. Die Wärmeaufnahmeoberfläche zum Aufnehmen einer kleinen Wärmemenge von der Wärmequelle sollte ein hohes Emissionsvermögen aufweisen, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche beheizbarer werden kann, um die Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls in der Nähe der maximalen Arbeitstemperatur zu halten und einen hohen Energieerzeugungswirkungsgrad durch Erhöhen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche und der Kühloberfläche zu erzielen.
Es ist wünschenswert, das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlersystems der Erfindung auf einen Zielwert durch Auswählen eines die Wärmeaufnahmeoberfläche konfigurierenden Materials, Auswählen eines oder einer Mehrzahl von Abdeckungsmaterialien zum Abdecken eines Teils oder des gesamten Materials oder Einstellen der Oberflächenrauigkeit der Wärmeaufnahmeoberfläche durch Kombinieren von diesen einzustellen. In diesem Fall ist es möglich, das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche ohne Weiteres auf einen optimalen Wert durch Auswählen des die Wärmeaufnahmeoberfläche konfigurierenden Materials oder eines Zustands der Endbearbeitung der Wärmeaufnahmeoberfläche einzustellen. Somit ist es möglich, die in das thermoelektrische Wandlermodul eingegebene Wärmemenge auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen, den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten und das thermoelektrische Wandlermodul bei einer Temperatur so nahe wie möglich zu der maximalen Arbeitstemperatur zu betätigen. Hier kann das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche von Modul zu Modul oder teilweise innerhalb einer Wärmeaufnahmeoberfläche unterschiedlich sein.
Es ist wünschenswert, die Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlersystems der Erfindung durch Anordnen von zwei oder mehreren Materialien und zwei oder mehreren Abdeckungsmaterialien, die unterschiedliche Emissionsvermögen aufweisen, oder ein oder mehrere Abdeckungsmaterialien und eine Basis des Materials, das eine Wärmeaufnahmeplatte konfiguriert, oder der auf zwei oder mehr eingestellten Oberflächenrauigkeit, und Materialien oder Abdeckungsmaterialien, die unterschiedliche Emissionsvermögen aufweisen, und beliebiger Oberflächenrauigkeit in Kombination zu bilden. In diesem Fall ist es vorzuziehen, die Wärmeaufnahmeoberfläche durch regelmäßiges Anordnen dieser Kombinationen zu bilden. Und es ist ferner vorzuziehen, dass Reihen der Materialien, Abdeckungsmaterialien und Oberflächenrauigkeit, die unterschiedliche Emissionsvermögen aufweisen, in einer Projektionsebene der thermoelektrischen Elemente auf der Wärmeaufnahmeoberfläche existieren. In diesem Fall ist das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche fast gleich einem Durchschnitt der Emissionsvermögen der Materialien, die die Wärmeaufnahmeoberfläche konfigurieren, und ein Zielemissionsvermögen kann sogar in dem Fall erhalten werden, in dem das Material mit einem erforderlichen Emissionsvermögen nicht verfügbar ist.
Gemäß dem thermoelektrischen Wandlersystem der Erfindung ist es wünschenswert, thermoelektrische Elemente einer hohen Betriebstemperatur als die thermoelektrischen Elemente auszuwählen, die auf die Wärmeaufnahmeoberfläche angewendet werden, denen eine große Wärmemenge von der Wärmequelle gegeben wird, während thermoelektrischen Elemente einer niedrigen Betriebstemperatur als die thermoelektrischen Elemente auf der Wärmeaufnahmeoberfläche ausgewählt werden, denen eine kleine Wärmemenge von der Wärmequelle gegeben wird. In diesem Fall ist es möglich, das thermoelektrische Wandlermodul mit einem höherem Energieerzeugungswirkungsgrad zu betätigen.
Gemäß dem thermoelektrischen Wandlersystem der Erfindung ist die Wärmequelle eine sich bewegende Wärmequelle. Das thermoelektrische Wandlermodul wird entlang eines Bewegungspfads der sich bewegenden Wärmequelle bereitgestellt, und das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche auf einer stromaufwärtigen Seite des Bewegungspfads wird niedriger als das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche auf einer stromabwärtigen Seite des Bewegungspfads eingestellt.
Daher sollte die Wärmeaufnahmeoberfläche gegenüber der Wärmequelle auf einer stromabwärtigen Seite des Bewegungspfads zum Erzeugen einer Wärmemenge, die groß genug ist, um das thermoelektrische Wandlermodul auf die maximale Arbeitstemperatur und darüber zu erwärmen, ein niedriges Emissionsvermögen aufweisen, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche weniger beheizbar werden kann, um eine Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen und den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten. Außerdem kann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche und einer Kühloberfläche groß wird, ein hoher Energieerzeugungswirkungsgrad erzielt werden. Die Wärmeaufnahmeoberfläche gegenüber der Wärmequelle auf einer stromabwärtigen Seite des Bewegungspfads zum Erzeugen einer kleineren Wärmemenge sollte ein hohes Emissionsvermögen aufweisen, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche beheizbarer werden kann, um die Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls nahe der maximalen Arbeitstemperatur zu halten und einen hohen Energieerzeugungswirkungsgrad durch Erhöhen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche und der Kühloberfläche zu erzielen.
Gemäß dem thermoelektrischen Wandlersystem der Erfindung ist die sich bewegende Wärmequelle ein Werkstück, das sich von einer Heizzone zu der Kühlzone innerhalb der Umhüllung eines Sinterofens bewegt. Ein Kühlmantel wird um die Umhüllung in der Kühlzone bereitgestellt, und das thermoelektrische Wandlermodul wird entlang des Bewegungspfads innerhalb der Umhüllung in der Kühlzone installiert. Daher ist es möglich, eine effiziente Energieerzeugung durch Benutzen von Abwärme in der Kühlzone des Sinterofens durchzuführen, was herkömmlicherweise schwierig ist, in praktischen Gebrauch zu bringen.
Gemäß dem thermoelektrischen Wandlersystem und dem Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrischen Wandlersystems der Erfindung umfasst das System die Wärmeaufnahmeoberfläche, die eine angemessene Mehrzahl von Emissionsvermögen gemäß der Wärmemenge aufweist, die von der Wärmequelle aufgenommen wird. Somit ist es möglich, die in das thermoelektrische Wandlermodul eingegebene Wärmemenge auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen, den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten, und das thermoelektrische Wandlermodul bei einer Temperatur so nahe wie möglich zu der maximalen Arbeitstemperatur zu betätigen. Um genauer zu sein, auch in einem Bereich, in dem die Wärmequellentemperatur die maximale Arbeitstemperatur auf der mit schwarzen Körpern abgedeckten Wärmeaufnahmeoberfläche überschreitet, wird ein niedriges Emissionsvermögen eingestellt, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche weniger erwärmbar wird, um eine Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen und den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten. Zur gleichen Zeit wird auf der Wärmeaufnahmeoberfläche zum Aufnehmen einer kleinen Wärmemenge von der Wärmequelle ein hohes Emissionsvermögen eingestellt, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche besser erwärmbar wird, um die Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls nahe der maximalen Arbeitstemperatur zu halten und einen hohen Energieerzeugungswirkungsgrad durch Erhöhen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche und der Kühloberfläche zu erzielen. Somit kann das thermoelektrische Wandlersystem die Nutzung der Abwärme erhöhen und eine größere Energieerzeugungsmenge erzielen, um seinen wirtschaftlichen Wirkungsgrad zu verbessern.
Gemäß dem thermoelektrischen Wandlersystem der Erfindung ist es ferner möglich, das Emissionsvermögen aus einer Vielfalt von Materialien durch Auswählen der Materialien und Abdeckungsmaterialien, die die Wärmeaufnahmeoberfläche bilden oder durch Einstellen der Oberflächenrauigkeit der Wärmeaufnahmeoberfläche oder dgl. geeignet auszuwählen. In dem Fall, in dem kein Material mit dem erforderlichen Emissionsvermögen verfügbar ist, ist es möglich, ohne Weiteres das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche auf den optimalen Wert einzustellen, die Menge der in das thermoelektrische Wandlermodul eingegebenen Wärme auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen, den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls beizubehalten und das thermoelektrische Wandlermodul bei einer Temperatur so nahe wie möglich an der maximalen Arbeitstemperatur zu betätigen.
Außerdem kann die Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlermoduls der Erfindung ein beliebiges Emissionsvermögen durch Kombinieren von Materialien oder durch Abdeckungsmaterialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen oder Auswählen der Oberflächenrauigkeit erhalten. Daher ist es möglich, unterschiedliche Emissionsvermögen auf der gesamten Wärmeaufnahmeoberfläche oder in einem Teil einer Wärmeaufnahmeoberfläche aufzuweisen. Das Emissionsvermögen der gesamten Wärmeaufnahmeoberfläche ist in etwa gleich einem Durchschnitt der Emissionsvermögen der Materialien, die die Wärmeaufnahmeoberfläche bilden, und ein Zielemissionsvermögen kann sogar in dem Fall erhalten werden, in dem kein Material mit dem erforderlichen Emissionsvermögen verfügbar ist. Weil die Wärmeaufnahmeoberfläche der Erfindung durch regelmäßiges Anordnen der Mehrmaterialkombinationen der Abdeckungsmaterialien und dgl. gebildet wird, wird die Unregelmäßigkeit des Emissionsvermögens auf der gesamten Wärmeaufnahmeoberfläche verringert. Außerdem hat die Wärmeaufnahmeoberfläche der Erfindung für die zu Kombinierenden Materialien, Abdeckungsmaterialien und Oberflächenrauigkeiten mit unterschiedlichen Emissionsvermögen Einheitsgrößen, die kleiner als ein Bereich des thermoelektrischen Elements sind, das die Wärmeaufnahmeoberfläche kontaktiert. Daher gibt es keine Temperaturvariationen je nach Chip eines thermoelektrischen Halbleiters.
Außerdem umfasst das erfindungsgemäße thermoelektrische Wandlersystem die thermoelektrischen Elemente mit unterschiedlichen Betriebstemperaturen gemäß der von der Wärmequelle aufgenommenen Wärmemenge in Verbindung mit der Optimierung des Emissionsvermögens aufgenommenen Wärmemenge. Daher ist es möglich, das thermoelektrische Wandlermodul am Überschreiten einer oberen Grenze der Arbeitstemperatur gegen eine Wärmequelle mit höherer Temperatur zu hindern, und die Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls nahe der maximalen Arbeitstemperatur gegen eine niedrige Temperaturwärmequelle zu halten, um das thermoelektrische Umwandlungselement mit einem höheren Energieerzeugungswirkungsgrad zu betätigen.
Außerdem kann das thermoelektrische Wandlersystem eine effiziente Energieerzeugung durch Benutzen der in der Kühlzone des Sinterofens erzeugten Abwärme durchführen, was eine praktische Anwendung der Energieerzeugung ermöglicht, die die in der Kühlzone des Sinterofens erzeugte Abwärme benutzt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Seitenansicht eines Sinterofens, die ein Beispiel einer Ausführungsform eines thermoelektrischen Wandlersystems der Erfindung zeigt, die auf einen Sinterofen angewendet wird;
2 ist eine Schnittansicht einer Kühlzone des Sinterofens, die von der Vorderseite betrachtet wird;
3 ist ein schematisches Blockdiagramm des Sinterofens;
4 ist eine graphische Darstellung, die eine Beziehung zwischen einer Temperatur eines Werkstücks und einer Werkstückflussrichtungsposition des Sinterofens zeigt;
5 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt;
6 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt;
7 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt;
8 ist ein Blockdiagramm, das noch ein weiteres Konfigurationsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt;
9 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel eines Verfahrens zum Einstellen eines Emissionsvermögens einer Wärmeaufnahmeoberfläche zeigt;
10 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Verfahren zum Einstellen des Emissionsvermögens der Wärmeaufnahmeoberfläche zeigt;
11 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Verfahren zum Einstellen des Emissionsvermögens der Wärmeaufnahmeoberfläche zeigt;
12 zeigt die Fälle, in denen eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle an jede Wärmeaufnahmeoberfläche gegeben wird, wobei (A) den Fall zeigt, in dem sich eine Wärmequelle zu der Wärmeaufnahmeoberfläche bewegt, (B) den Fall zeigt, in dem Abstände zwischen der Wärmequelle und Punkten auf der Wärmeaufnahmeoberfläche unterschiedlich sind, und (C) den Fall zeigt, in dem die Temperaturverteilung der Wärmequelle selbst ungleichmäßig ist;
13 ist eine graphische Darstellung, die eine Differenz in der Änderung einer Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur und einer Wärmequellentemperatur bei einem Beispiel der Erfindung und einem Vergleichsbeispiel zeigt;
14 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel eines thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt;
15 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Konfigurationsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt; und
16 ist ein Blockdiagramm, das ein Konfigurationsbeispiel eines herkömmlichen thermoelektrischen Wandlermoduls zeigt.
Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
Eine Konfiguration der Erfindung wird ausführlich nachstehend basierend auf einer in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsform beschrieben.
1 bis 12 zeigen eine Ausführungsform eines thermoelektrischen Umwandlungselements und eines Verfahrens zur Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrischen Wandlersystems der Erfindung. Dieses thermoelektrische Wandlersystem 1 umfasst mindestens ein thermoelektrisches Wandlermodul 5, eine Wärmequelle 3 zum Erwärmen einer Hochtemperaturseite der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls und eine kalte Quelle (Kühlung) 4 zum Kühlen einer Niedertemperaturseite Wärmeaufnahmeoberfläche 7a des thermoelektrischen Wandlermoduls, wobei die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 durch Strahlungswärme von der Wärmequelle 3 erwärmt wird. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 umfasst mindestens ein Paar von thermoelektrischen Elementen 2, eine Wärmeaufnahmezone 6, die als die Hochtemperaturseite der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 der thermoelektrischen Elemente 2 angeordnet ist, so dass sie die Wärmequelle 3 nicht kontaktiert und die Wärme von der Wärmequelle 3 durch Strahlung aufnimmt, und eine Strahlungszone 7, die als die Niedertemperaturseite-Wärmeaufnahmeoberfläche 7a des thermoelektrischen Elements 2 angeordnet ist, so dass sie die Kältequelle kontaktiert, und durch die Kühlung 4 gekühlt wird, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz erzeugt wird, die zwischen der Wärmeaufnahmezone 6 und der Strahlungszone 7 erzeugt wird. Das thermoelektrische Wandlersystem 1 wird geeigneterweise unter Bedingungen verwendet, bei denen die Strahlungswärme nicht gleichmäßig der Hochtemperaturseite der Wärmeaufnahmeoberflächen aller thermoelektrischen Wandlermodulen gegeben wird, sondern eine Menge der von der Wärmequelle 3 aufgenommenen Strahlungswärme teilweise (Teil für Teil) hinsichtlich jedes einzelnen thermoelektrischen Umwandlungselements oder der Wärmeaufnahmeoberfläche jedes einzelnen thermoelektrischen Wandlermoduls unterschiedlich ist, wobei mehrere unterschiedliche Emissionsvermögen entsprechend der Wärmemenge bereitgestellt werden, die von der Wärmequelle 3 durch die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 aufgenommenen wird, die die Wärmequelle des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 nicht kontaktiert.
Was die Fälle betrifft, in denen eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle 3 jedem einzelnen thermoelektrischen Wandlermodul oder jedem Teil der Wärmeaufnahmeoberfläche jedes einzelnen thermoelektrischen Wandlermoduls gegeben wird, gibt es beispielsweise die denkbaren Fälle, in denen sich die Wärmequelle 3 zu der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 hin bewegt, wie in 12(A) gezeigt ist, Abstände zwischen der Wärmequelle 3 und Punkten auf der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 unterschiedlich sind, wie in 12(B) gezeigt ist, und die Temperaturverteilung der Wärmequelle 3 selbst ungleichmäßig ist, wie in 12(C) gezeigt ist. Die Erfindung ist auf jeden dieser Fälle anwendbar. Die Wärmequelle 3 von 12(C) gibt an, dass die Temperatur höher wird, wenn die Farbe dunkler wird.
Gemäß dieser Ausführungsform, die beispielsweise auf einen Sinterofen angewendet wird, ist die Wärmequelle 3 eine sich bewegende Wärmequelle, wobei die Temperatur der Wärmequelle selbst absinkt, wenn sie sich stromabwärts bewegt. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 wird entlang eines Bewegungspfads der sich bewegenden Wärmequelle 3 bereitgestellt, und das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf einer stromaufwärtigen Seite des Bewegungspfads wird niedriger als das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf einer stromabwärtigen Seite des Bewegungspfads eingestellt. Die sich bewegende Wärmequelle 3 ist beispielweise ein sich von einer Heizzone zu einer Kühlzone innerhalb einer Umhüllung 9 eines Sinterofens 8 bewegendes Werkstück. Genauer gesagt ist das Werkstück 3 ein Graphitkasten, der ein Sinterprodukt enthält. Ein Sinterofen 8 umfasst die tunnelähnliche Umhüllung 9, wie beispielsweise in 2 gezeigt ist. Die Umhüllung oder Muffel 9 ist in Längsrichtung in eine Vorwärmezone 9a, eine Sinterzone 9b und eine Kühlzone 9c aufgeteilt, wie in 3 gezeigt ist. Die Vorwärmezone 9a und die Sinterzone 9b weisen Heizvorrichtungen 10a und 10b auf, wie beispielsweise ein elektrisches Heizgerät oder einen Gasheizmantel mit einem Brenner, das/der um die Umhüllung 9 vorgesehen ist. Die Kühlzone 9c umfasst einen Kühlmantel 11, der um die Umhüllung 9 vorgesehen ist. Beispielsweise deckt der Kühlmantel 11 die aus rostfreiem Stahl hergestellte Umhüllung 9 ferner mit einer aus rostfreiem Stahl hergestellten äußeren Schale, um Raum zu bilden, damit die Kühlung 4 zwischen der äußeren Schale und der Umhüllung 9 fließen kann. Kühlwasser wird als Kühlung 4 verwendet. Die Sinterprodukte werden in die Graphitkästen 3 gebracht und auf ein Förderband in der Umhüllung 9 angeordnet oder nacheinander von einer Eintrittsseite gedrückt, um in die Umhüllung 9 in der Reihenfolge Vorwärmezone 9a, Sinterzone 9b und Kühlzone 9c zu laufen. Daher wird, sobald das Sinterprodukt eingebracht ist, der Graphitkasten 3 durch die Vorwärmezone 9a und Sinterzone 9b erwärmt und durch die Kühlzone 9c gekühlt. Die Ausführungsform von 2 zeigt den Fall des Anbringens des thermoelektrischen Wandlermoduls auf einem üblichen Sinterofen. Um das thermoelektrische Wandlermodul 5 in engem Kontakt anzubringen, liegt eine Vergussmasse (grout) eines gut wärmeleitenden Materials, wie beispielsweise ein Kupferblock 20, zwischen einer domförmigen gekrümmten Decke der Umhüllung 9 und dem thermoelektrischen Wandlermodul 5. Selbstverständlich ist es in dem Fall, in dem die Decke der Umhüllung 9 wie ein Zacken geformt oder auf einer großen flachen Oberfläche gebildet ist und zum direkten Anbringen der Kühlzone (Kühlplatte 71) 7 der Niedertemperaturseite des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 in engem Kontakt geeignet ist, nicht immer notwendig, dass die gut wärmeleitende Vergussmasse zwischen ihnen liegt.
4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen einer Position des Werkstücks 3 in Bewegungsrichtung und einer Temperatur des Werkstücks 3. In 3 und 4 bezeichnet das Bezugszeichen L1 die axiale Länge der Vorwärmezone 9a, L2 gibt die axiale Länge der Sinterzone 9b und L3 die axiale Länge der Kühlzone 9c an. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 wird entlang des Bewegungspfads des Werkstücks 3 in der Umhüllung 9 in der Kühlzone 9c installiert. Das Bezugszeichen L4 in 3 und 4 gibt die axiale Länge eines Bereichs an, in dem das thermoelektrische Wandlermodul 5 installiert ist. Aus dem Gesichtspunkt der effektiven Abwärmenutzung des Werkstücks 3 ist es wünschenswert, einen Installationsbereich L4 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 von einer Position so nahe wie möglich zu einem Auslass der Sinterzone 9b zu starten, d. h. dem Eingang der Kühlzone 9c, wo die Temperatur des Werkstücks 3 hoch ist, innerhalb des Bereichs der im Stande ist, die Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 auf eine obere Grenztemperatur zu beschränken. Es ist ebenfalls wünschenswert, L4 zu verlängern, so lange wie eine effiziente Energieerzeugung durch das thermoelektrische Wandlermodul 5 möglich ist.
Der Graphitkasten als die durch die Vorwärmezone 9a und die Sinterzone 9b erwärmte Wärmequelle 3 bewegt sich von stromaufwärts nach stromabwärts der Kühlzone 9c entlang des thermoelektrischen Wandlermoduls 5, ohne das thermoelektrische Wandlermodul 5 zu kontaktieren. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 nimmt Wärme durch Strahlung von dem Graphitkasten 3 auf, und seine Rückseitenoberfläche 7a wird durch den Kühlmantel 11 gekühlt. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 erzeugt elektrische Energie durch die Temperaturdifferenz, d. h. einen Wärmeabfall zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 und der Kühloberfläche 7a, und die erzeugte Energie wird zu einer elektrischen Speichervorrichtung und einem Energienutzungsgerät über eine Energiekollektorleitung geliefert, die nicht gezeigt ist.
5 zeigt ein Konfigurationsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls 5. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 umfasst abwechselnd angeordnet eine Mehrzahl von Paaren von thermoelektrischen Halbleitern vom P-Typ 2a und thermoelektrischen Halbleitern vom N-Typ 2b, Elektroden 12 zum elektrischen Verbinden der benachbarten thermoelektrischen Halbleiter vom P-Typ 2a und der thermoelektrischen Halbleiter vom N-Typ 2b in Reihe, eine elektrische Isolierwärmeaufnahmeplatte 61 zum Abdecken der Elektrode 12 auf der Seite der Wärmequelle 3 und zum Konfigurieren der Wärmeaufnahmezone 6 und die elektrische Isolierkühlplatte 71 zum Abdecken der Elektrode 12 auf der Seite der Kühlung 4 und zum Konfigurieren der Strahlungszone 7. Die Wärmeaufnahmeplatte 61 und die Kühlplatte 71 sind hinsichtlich des Materials nicht besonders eingeschränkt, so lange es wärmeleitend ist. Es ist jedoch wünschenswert, dass das Material eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen sollte. In vielen Fällen sind die Wärmeaufnahmeplatte 61 und die Kühlplatte 71 aus einem Metall zusammengesetzt. Beispielsweise können sie auch aus einem elektrischen Isoliermaterial, wie etwa einer Keramik, die als eine elektrische Isolierschicht doppelt wirkt, zusammengesetzt sein. Im Fall metallischer Wärmeaufnahmeplatte 61 und Kühlplatte 71 wird eine Isolierschicht zwischen diesen und den Elektroden 12 ausgebildet. Die Wärmeaufnahmeplatte 61, die Elektroden 12, die thermoelektrischen Elemente 2 und die Kühlplatte 71 sind durch ein Verbindungsmaterial verbunden, wie beispielsweise ein Hartlot oder einen Klebstoff, um das thermoelektrische Wandlermodul 5 zusammenzubauen. Die Kühloberfläche 7a des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 ist durch das Verbindungsmaterial, wie beispielsweise einen Klebstoff, an der inneren Oberfläche der Umhüllung 9 als eine Trennwand zum Aufteilen der Wärmequelle 3 und der Kühlung 4 fest angebracht. In dem Fall, in dem die innere Oberfläche der Umhüllung 9 aus dem elektrischen Isoliermaterial gebildet ist, ist es möglich, ohne die Kühlplatte 71 auszukommen. In diesem Fall arbeitet die Elektrode 12 auf der Seite des Kühlmittels 4 als Strahlungszone 7.
6 zeigt ein weiteres Konfigurationsbeispiel des thermoelektrischen Wandlermoduls 5. Das thermoelektrische Wandlermodul 5 umfasst eine abwechselnd angeordnete Mehrzahl von Paaren von thermoelektrischen Halbleitern vom P-Typ 2a und thermoelektrischen Halbleitern vom N-Typ 2b, ein FGM-konformes Polster 13 zum elektrischen Verbinden der benachbarten thermoelektrischen Halbleiter vom P-Typ 2a und thermoelektrischen Halbleiter vom N-Typ 2b in Reihe, eine Wärmeaufnahmeplatte 61 zum Abdecken des FGM-konformen Polsters 13 auf der Seite der Wärmequelle 3 und zum Konfigurieren der Wärmeaufnahmezone 6, und die Kühlplatte 71 zum Abdecken des FGM-konformen Polsters 13 auf der Seite der Kühlung 4 und zum Konfigurieren der Strahlungszone 7. Das FGM-konforme Polster 13 bildet eine Elektrodenschicht auf der Seite des thermoelektrischen Elements 2 und eine elektrische Isolierschicht auf der Seite der Wärmeaufnahmeplatte 61 oder der Seite der Kühlplatte 71. Das FGM-konforme Polster 13 ist ein Funktions-Gradientenmaterial (FGM), das aus der Elektrodenschicht und der elektrischen Isolierschicht besteht, d. h. der Elektrodenschicht auf der Seite des thermoelektrischen Elements 2 und der elektrischen Isolierschicht auf der gegenüberliegenden Seite, wobei sich ihre Zusammensetzung kontinuierlich ändert. Beispielsweise kann das in dem japanischen Patent Nr. 3056047 und japanischen Patent Nr. 3482094 Offenbart verwendet werden. Es ist ebenfalls möglich, ein FGM-konformes Polster zu verwenden, bei dem beide Oberflächen aus den Elektrodenschichten bestehen und die Innenseite aus der elektrischen Isolierschicht besteht. Die Wärmeaufnahmeplatte 61, das FGM-konforme Polster 13, die thermoelektrischen Elemente 2 und die Kühlplatte 71 sind durch das Verbindungsmaterial verbunden, wie beispielsweise Hartlot oder Klebstoff, um das thermoelektrische Wandlermodul 5 zusammenzubauen. Die Kühloberfläche 7a des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 ist durch das Verbindungsmaterial, wie beispielsweise Hartlot oder Klebstoff, auf der inneren Oberfläche der Umhüllung 9 als Trennwand zum Aufteilen der Wärmequelle 3 und der Kühlung 4 fest angebracht. Weil das FGM-konforme Polster 13 selbst elektrisch isolierend ist, ist es möglich, ohne die Kühlplatte 71 auszukommen, egal, ob die innere Oberfläche der Umhüllung 9 aus dem elektrischen Isoliermaterial zusammengesetzt ist oder nicht. In diesem Fall arbeitet das FGM-konforme Polster 13 auf der Seite des Kühlmittels 4 als die Strahlungszone 7.
Gemäß dieser Ausführungsform wird eine Mehrzahl von in 5 oder 6 gezeigten thermoelektrischen Wandlermodulen 5 entlang des Bewegungspfads des Werkstücks 3 innerhalb der Umhüllung 9 in der Kühlzone 9c installiert, wie es in 1 und 2 gezeigt ist. Daher gibt es eine Mehrzahl von Wärmeaufnahmeoberflächen 18, die Wärme durch Strahlung von dem als Wärmequelle 3 dienenden Werkstück aufnehmen. Mit anderen Worten wird die Wärmeaufnahmeoberfläche 18, die Wärme durch Strahlung von dem Werkstück 3 aufnimmt, unterteilt. Es ist jedoch auch eine Konfiguration möglich, bei der lediglich ein einzelnes thermoelektrisches Wandlermodul 5 mit einer großen kontinuierlichen Wärmeaufnahmeoberfläche 18 vorliegt. Im Fall der Konfiguration eines einzelnen thermoelektrischen Wandlermoduls 5 gibt es die Möglichkeit, das eine beachtliche thermische Spannung auf die Wärmeaufnahmeplatte 61 aufgrund der Temperaturverteilung auf der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 wirkt. Daher ist es wünschenswert, einen Schlitz auf der Wärmeaufnahmeplatte 61 zu bilden und die thermische Spannung zu dissipieren. Es ist ebenfalls möglich, das thermoelektrische Umwandlungselement 5 fein aufzuteilen, so dass es die thermoelektrischen Elemente 2 als minimale Einheiten aufweist, wie beispielsweise ein Einzel-Paar-Typ mit jeweils einem Stück des thermoelektrischen Halbleiters vom P-Typ 2a und des thermoelektrischen Halbleiters vom N-Typ 2b. Es ist wünschenswert, die Wärmeaufnahmeplatte 61 vom Gesichtspunkt des Erhöhens der mechanischen Festigkeit des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 und des Erleichterns der Handhabung während der Montagearbeit auszugestalten. Es ist jedoch ebenfalls möglich, dass die Elektroden 12 und das FGM-konforme Polster 13 auf der Seite der Wärmequelle 3 als Wärmeaufnahmezone 6 ohne die Wärmeaufnahmeplatte 61 arbeiten, wenn eine feine Unterteilung des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 in minimale Einheiten und dgl. vorgesehen ist. Außerdem verringert sich in diesem Fall der Wärmeabfall der thermoelektrischen Elemente 2 und der Energieerzeugungswirkungsgrad wird niedriger, wenn die Seite, die den thermoelektrischen Elementen 2 gegenüberliegt, Wärme durch Strahlung von der Wärmequelle 3 aufnimmt. Daher ist es wünschenswert, wie in 7 und 8 gezeigt ist, die Wärmeaufnahmeplatte 61, die Elektroden 12 oder das FGM-konforme Polster 13 zu verlängern und Schürzenzonen (skirt zones) 14 zum Überdecken der Seitenflächen der thermoelektrischen Elemente 2 bereitzustellen.
Was das thermoelektrische Wandlersystem 1 dieser Ausführungsform betrifft, bei dem sich die Wärmequelle 3 entlang einer Mehrzahl von thermoelektrischen Wandlermodulen 5 bewegt, ohne sie zu kontaktieren, während die thermoelektrischen Wandlermodule 5 Wärme durch Strahlung von der Wärmequelle 3 aufnehmen und deren gegenüberliegende Oberflächen 7a gekühlt werden, gibt die folgende Formel die Wärmemenge Q_Rad an, die von der Wärmequelle 3 zu der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 bei einem bestimmten lokalen Punkt in einer Bewegungsrichtung der Wärmequelle 3 übertragen wird. QRad = σ(T1 4 – T2 4)/(1/ε1 + 1/ε2 – 1) <Formel 1>
Wobei:

σ:: Stefan-Boltzmann-Konstante = 5,67 × 10^–8 (W/m²k⁴)
T₁:: Absolute Temperatur (K) der Wärmequelle
T₂:: Absolute Temperatur (K) der Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlermoduls
ε₁:: Emissionsvermögen der Wärmequelle
ε₂:: Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlermoduls.

Eine Wärmemenge Q_Con, die in dem thermoelektrischen Wandlermodul 5 fließt, wird durch die folgende Formel erfasst. QCon = (T2 – T3)/RTotal <Formel 2>
Wobei:

T₂:: Absolute Temperatur (K) der Wärmeaufnahmeoberfläche des thermoelektrischen Wandlermoduls
T₃:: Absolute Temperatur (K) eines Kühlmittelhauptstroms in einem Kühlkanal
R_Total:: Synthetischer thermischer Widerstand, der den thermischen Widerstand des thermoelektrischen Wandlermoduls und einen Wärmeübergangskoeffizient in dem Kühlkanal berücksichtigt

Wenn die Dissipation der Wärme zu den Seitenflächen des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 ignoriert wird, sind die obigen Q_Rad und Q_Con gleich. Daher können, wenn die absolute Temperatur T1 der Wärmequelle 3 auf der stromaufwärtigsten Seite der Kühlzone 9c, d. h., mit anderen Worten an einem Auslass der Sinterzone 9b, und die absolute Temperatur T3 des Hauptstroms der Kühlung 4 in dem Kühlmantel 11 auf der stromaufwärtigsten Seite der Kühlzone 9c, d. h. mit anderen Worten bei einem Einlass der Kühlzone 19c gegeben ist, gleichzeitig Gleichungen, die aus der Formel 1 und der Formel 2 bestehen, gelöst werden, um die in den thermoelektrischen Wandlermodulen 5 in sehr kleinen Regionen in einer Flussrichtung der Wärmequelle 3 fließende Wärmemenge und die absolute Temperatur T₂ der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 zu erfassen. Diese Berechnung wird hinsichtlich jeder der sehr kleinen Regionen wiederholt, um die Temperaturhistorie von T₁, T₂ und T₃ in der Bewegungsrichtung der Wärmequelle 3 zu erfassen. Hinsichtlich der Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T₂ ist es möglich, den optimalen Wert zu erfassen, der im Stande ist, den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 beizubehalten und einen hohen Energieerzeugungswirkungsgrad durch Erhöhen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 und der Kühloberfläche 7a so weit wie möglich basierend auf der maximalen Arbeitstemperatur der thermoelektrischen Elemente 2 und einem Schmelzpunkt eines Verbindungsmaterials, wie beispielsweise eines Klebstoffs, der bei einem Zusammenbau des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 verwendet wird, zu erzielen. Sobald die optimale Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T₂ erfasst ist, ist es möglich, das Emissionsvermögen (emissivity) ε₂ der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zu erfassen, das im Stande ist, den optimalen Wert T₂ basierend auf der Formel 1 zu erfassen.
Weil, genauer genommen, das Emissionsvermögen ε₁ der Wärmequelle 3 temperaturabhängig ist, gibt es keine bedeutende Änderung, auch wenn sie sich ein wenig ändert, wenn sich die Wärmequelle 3 von stromaufwärts nach stromabwärts in der Kühlzone 9c bewegt. Es ist auf jeden Fall nicht möglich, das Emissionsvermögen ε₁ der Wärmequelle 3 in Verbindung mit der Bewegung der Wärmequelle 3 von stromaufwärts nach stromabwärts in der Kühlzone 9c künstlich zu ändern. Andererseits ist es möglich, den Wert des Emissionsvermögens ε₂ der Wärmeaufnahmeoberflächen 18 einer Mehrzahl von thermoelektrischen Wandlermodulen 5 oder das Emissionsvermögen ε₂ der Zonen einer Wärmeaufnahmeoberfläche 18 eines der thermoelektrischen Wandlermodule 5 zu optimieren.
Das Emissionsvermögen hängt von einem Oberflächenbearbeitungs-Zustand sowie auch den Materialien ab, und hängt ebenfalls vom Oxidationsgrad ab, wenn der Einsatz in Luft erfolgt. Daher kann das Emissionsvermögen ε₂ der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf einen Zielwert eingestellt werden, indem das die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 bildende Material ausgewählt wird, ein oder eine Mehrzahl von Abdeckungsmaterialien zum Abdecken eines Teils oder des ganzen Materials, das die Wärmeaufnahmezone bildet, als eine Basis oder gemäß dem Oberflächenfinish-Zustand der Wärmeaufnahmeoberfläche 18, d. h. einem Grad der Oberflächenrauigkeit der Wärmeaufnahmeoberfläche 18, ausgewählt wird. Selbstverständlich ist es ebenfalls möglich, das Emissionsvermögen ε₂ der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf den Zielwert durch Kombinieren aller oder eines Teils der oben erwähnten Maßnahmen einzustellen. Die Abdeckungsmaterialien können auf der Oberfläche des Materials, das die Wärmeaufnahmezone bildet, als Basis (hier als ein Basismaterial bezeichnet) beispielsweise durch Beschichten, Aufdampfung, Plattieren, Streichen oder Befestigen angebracht werden. Das Emissionsvermögen kann verringert werden, indem die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 mit einer Spiegelendbearbeitung ausgeführt wird, während sie durch mit einer Grobbearbeitung mit feinen Unregelmäßigkeiten auf der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 erhöht werden kann.

Tabelle 1 zeigt Möglichkeiten der Materialien für die Wärmeaufnahmezone 6 und das Abdeckungsmaterial zum Abdecken eines Teils oder der gesamten Wärmeaufnahmezone 6 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5. Die Tabelle 2 zeigt Bezugsemissionsvermögen der Materialien. Die in Tabelle 1 und 2 gezeigten Materialien sind jedoch typische Beispiele. Das Basismaterial, das die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 der Erfindung bildet, und die Abdeckungsmaterialien zum Abdecken des Basismaterials sind nicht hierauf beschränkt, und das Material mit optimalem Emissionsvermögen kann auch aus einer großen Vielzahl anderer Materialien ausgewählt werden. Das Emissionsvermögen hängt ebenfalls von dem Oxidationsgrad der Atmosphäre ab. Daher ist es wünschenswert, die Materialien unter Berücksichtigung dessen, ob der Atmosphärenzustand bei dem Einsatz des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 eine Oxidationsatmosphäre, Reduktionsatmosphäre oder inerte Atmosphäre ist, auszuwählen. [Tabelle 1]

	Zu verwendende Atmosphäre	Niedriges Emissionsvermögen	Hohes Emissionsvermögen
Wärmeaufnahmezone	Reduktionsatmosphäre	Aluminiumoxid, Cu, Ni, Al (für niedrige Temperatur)	SiC, Kohlenstoff, Si₃N₄
	Oxidationsatmosphäre	Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Al (für niedrige Temperatur)	Rostfreier Stahl (Oxidation) Ni (Oxidation) (*Oberflächenoxidation)
Abdeckungsmaterial	Reduktionsatmosphäre	Mit Aluminiumoxid dispergierter Klebstoff, Mit Zirkoniumoxid dispergierter Klebstoff	Mit Graphit dispergierte Wärmewiderstands-Farbe, Mit SiC dispergierte keramische Farbe, CVD-SiC
	Oxidationsatmosphäre	Mit Aluminiumoxid dispergierter Klebstoff, Mit Zirkoniumoxid dispergierter Klebstoff	Mit Graphit dispergierte Wärmewiderstands-Farbe (für niedrige Temperatur), Mit SiC dispergierte keramische Farbe, CVD-SiC

[Tabelle 2]

Material	Bezugsemissionsvermögen
Cu	0,05–0,80
Al	0,09–0,40
Ag	0,04–0,10
Aluminiumoxid	0,22–0,4
Zirkoniumoxid	0,18–0,43
Ni	0,25–0,85
SiC	0,80–0,83
Kohlenstoff	0,90–0,95
Si3N4	0,89–0,90
Rostfreie Oberflächenoxidation	0,85
Ni-Oberflächenoxidation.	0,37–0,48

Das Beschichtungsmaterial kann aus einer großen Vielzahl von Materialien ausgewählt werden. In dem Fall, in dem kein Material mit dem erforderlichen Emissionsvermögen verfügbar ist, kann die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 durch Anordnen und Beschichten oder Befestigen von zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichem Emissionsvermögen auf der Wärmeaufnahmeplatte 61, der Elektrode 12 oder dem FGM-konformen Polster 13 gebildet werden, um als Wärmeaufnahmezone 6 zu arbeiten, die die Basis ist. Wie beispielsweise in 9 gezeigt ist, ist es möglich, zwei Abdeckungsmaterialien 15a und 15b mit unterschiedlichem Emissionsvermögen regelmäßig anzuordnen und die Wärmeaufnahmeplatte 61 damit in einem feinen Gittermuster zu beschichten, beispielsweise um die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zu bilden. Wie in 10 gezeigt ist, ist es ebenfalls möglich, durch Verwenden des Abdeckungsmaterials 15 und eines Basismaterials 16 mit unterschiedlichem Emissionsvermögen, die Wärmeaufnahmeplatte 61 mit dem Basismaterial 16 und ferner mit dem Abdeckungsmaterial 15 zu beschichten, das fein und regelmäßig angeordnet ist, indem es in einem Gittermuster beschichtet wird, beispielsweise um die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zu bilden. In dem Fall, in dem die Emissionsvermögen der beiden Materialien, die die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 bilden, beispielsweise gleich 0,2 und 0,4 als Ergebnis der Beschichtung in 9 oder 10 sind, ist es möglich, fast die gleiche Wirkung wie beim Beschichten der gesamten Wärmeaufnahmeoberfläche 18 mit dem Material zu erzielen, dessen Emissionsvermögen gleich 0,3 ist. In diesem Fall ist es wünschenswert, das Gittermuster deutlich feiner als die ebenen Chipabmessungen der thermoelektrischen Elemente 2 auszuführen, um keine Variationen in der Temperatur zwischen den Chips der thermoelektrischen Elemente 2 aufzuweisen, die auf der gleichen Wärmeaufnahmeoberfläche 18 angebracht sind. Mit anderen Worten ist es wünschenswert, Reihen der Materialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen aufzuweisen, die in einer Projektionsebene der thermoelektrischen Elemente 2 auf der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 existieren. Im Fall des Steuerns des Emissionsvermögens durch Kombinieren der Materialien und Abdeckungsmaterialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen oder Einstellen der Oberflächenrauigkeit ist es möglich, anstatt auf das Ausbilden der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 durch regelmäßiges Anordnen der beiden Materialien beschränkt zu sein, drei oder mehr Materialien zu kombinieren oder derartige Kombinationen und dgl. unregelmäßig anzuordnen. In dem Fall, in dem das Emissionsvermögen in einer Wärmeaufnahmeoberfläche 18 geändert werden muß, wie in 11 gezeigt ist, d. h. in dem Fall des Installierens lediglich eines einzigen thermoelektrischen Wandlermoduls 5 einschließlich einer großen kontinuierlichen Wärmeaufnahmeoberfläche 18, kann beispielsweise ein Teil der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 in dem Gittermuster beschichtet werden. Genauer gesagt sind zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen nicht immer regelmäßig auf der gleichen gesamten Oberfläche angeordnet. Beispielsweise kann es Fälle geben, in denen sich ein durch eine Mehrzahl von Materialien gebildetes Muster der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 allmählich ändert oder eine Wärmeaufnahmeoberfläche 18 durch drei oder mehr Materialien gebildet wird. Es ist ebenfalls möglich, ein stromaufwärtiges Ende und ein stromabwärtiges Ende in der Bewegungsrichtung der Wärmequelle der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 mit den Abdeckungsmaterialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen zu beschichten oder die Materialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen daran zu befestigen, während das Teil zwischen den Enden mit zwei oder mehr Abdeckungsmaterialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen beschichtet wird oder zwei oder mehr Materialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen daran befestigt werden, um das Emissionsvermögen schrittweise oder stufenlos zu ändern.
Gemäß dieser Ausführungsform weist beispielsweise die stromabwärts von der Kühlzone 9c angeordnete Wärmeaufnahmeoberfläche 18, der eine große Wärmemenge von der Wärmequelle 3 gegeben wird, ein niedriges Emissionsvermögen auf. Das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 wird allmählich höher beim stromabwärtigen Vorrücken in der Kühlzone 9c, wobei ihr kleinere Wärmemengen von der Wärmequelle 3 gegeben werden. Beispielsweise zeigt das Beispiel von 1 das Emissionsvermögen einer Wärmeaufnahmeoberfläche 18A < Emissionsvermögen einer Wärmeaufnahmeoberfläche 18B < Emissionsvermögen einer Wärmeaufnahmeoberfläche 18C < Emissionsvermögen einer Wärmeaufnahmeoberfläche 18D. Hier kann sich das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 entweder schrittweise (in einem Treppenmuster) oder kontinuierlich (eine Beziehung zwischen der Position von stromabwärts nach stromaufwärts in der Kühlzone 9c und dem Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 an der Position kann durch eine direkte oder quadratische oder höhere Funktion ausgedrückt werden) von stromaufwärts nach stromabwärts in der Kühlzone 9c erhöhen. Im Fall des Erhöhens des Emissionsvermögens schrittweise von stromaufwärts nach stromabwärts kann die Länge der Abschnitte des gleichen Emissionsvermögens entweder gleich oder unterschiedlich sein. Hier ist es in einem Bereich, in dem die Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur der Hochtemperaturseite die maximale Arbeitstemperatur der thermoelektrischen Elemente überschreitet, wenn diese auf dem höchsten Wert der Materialien, die im Stande sind, die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zu beschichten, oder der Materialien, die die Wärmeaufnahmeoberfläche bilden, eingestellt ist, wünschenswert, das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zumindest niedriger als den oben erwähnten Wert auszuführen, um den Wert der Hochtemperaturseite der Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur einzustellen, um die maximale Arbeitstemperatur der thermoelektrischen Elemente nicht zu überschreiten und so nahe wie möglich zu der maximalen Arbeitstemperatur zu kommen.
Je niedriger das Emissionsvermögen wird, desto weniger wärmeabsorbierend wird die Wärmeaufnahmeoberfläche 18, und so wird das thermoelektrische Wandlermodul 5 weniger erwärmbar. Umgekehrt wird, je höher das Emissionsvermögen wird, die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 desto mehr wärmeabsorbierend, und so wird das thermoelektrische Wandlermodul 5 erwärmbar. Daher sollte, was die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 gegenüber der Wärmequelle 3 auf der stromaufwärtigen Seite der Kühlzone 9c betrifft, die die Wärmemenge erzeugt, die groß genug ist, um das thermoelektrische Wandlermodul 5 über der maximalen Arbeitstemperatur zu erwärmen, das Emissionsvermögen niedrig sein, so dass die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 weniger erwärmbar ist, und die Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger beschränkt wird, um den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 beizubehalten und einen hohen Energieerzeugungswirkungsgrad durch Erhöhen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 und der Kühloberfläche 7a zu erzielen. Was die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 gegenüber der Wärmequelle 3 auf der stromabwärtigen Seite der Kühlzone 9c betrifft, die eine geringere Wärmemenge erzeugt, sollte das Emissionsvermögen höher als das der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf der stromabwärtigen Seite der Kühlzone 9c sein, um erwärmbar zu werden, um die Heiztemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 nahe der maximalen Arbeitstemperatur zu halten und einen hohen Energieerzeugungswirkungsgrad durch Erhöhen der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 und der Kühloberfläche 7a zu erzielen. Mit anderen Worten ist es möglich, eine Startposition des Installationsbereichs L4 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 näher zu dem Einlass der Kühlzone 9c durch Absenken des Emissionsvermögens der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf der stromaufwärtigen Seite der Kühlzone 9c einzustellen. Es ist ebenfalls möglich, den Installationsbereich L4 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 länger einzustellen, indem das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 auf der stromabwärtigen Seite der Kühlzone 9c erhöht wird. Außerdem ist es möglich, elektrische Energie durch Verwenden der thermoelektrischen Elemente zu erzeugen, deren maximale Arbeitstemperatur viel niedriger als im Fall des Verwendens eines Wärmekollektormaterials ist, das aus einem schwarzen Körper hergestellt ist.
Wie oben beschrieben wird die Wärmeaufnahmeoberfläche 18, die geeignet viele verschiedene Emissionsvermögen gemäß der von der Wärmequelle 3 aufgenommenen Wärmemenge aufweist, ausgebildet, um die Wärmemenge zu begrenzen, die in das thermoelektrische Wandlermodul 5 auf der stromaufwärtigen Seite der Kühlzone einzugeben ist, deren Wärmequellentemperatur am höchsten gegenüber der maximalen Arbeitstemperatur oder weniger ist, wobei der einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 beibehalten und das thermoelektrischen Wandlermoduls 5 bei der Temperatur so nahe wie möglich zu der maximalen Arbeitstemperatur auf der stromabwärtigen Seite der Kühlzone betätigt wird, deren Wärmequellentemperatur sich abgesenkt hat. Somit kann das thermoelektrische Wandlersystem 1 eine große Gesamtausgabe erzielen und seinen wirtschaftlichen Wirkungsgrad verbessern.
In dem Fall, in dem die Temperatur der Heizzone, die die Wärmeaufnahmeoberfläche konfiguriert, die maximale Arbeitstemperatur der in Gebrauch befindlichen thermoelektrischen Elemente überschreitet oder kaum in die Nähe der maximalen Arbeitstemperatur sogar durch Steuern des Emissionsvermögens durch Auswahl des Beschichtungsmaterials und einer Änderung in dem Oberflächenfinish-Zustand kommt, ist es außerdem möglich, damit umzugehen, indem die thermoelektrischen Elemente zur gleichen Zeit geändert werden. Im Fall des Verwendens von BiTe für die thermoelektrischen Elemente 2 beträgt beispielsweise die maximale Arbeitstemperatur etwa 220°C, im Fall des Verwendens von FeSi beträgt die maximale Arbeitstemperatur etwa 700°C und im Fall des Verwendens von SiGe beträgt die maximale Arbeitstemperatur etwa 1000°C. Was das thermoelektrische Wandlermodul 5 auf der stromaufwärtigen Seite der Kühlzone 9c betrifft, werden die thermoelektrischen Elemente 2 einer höheren Betriebstemperatur verwendet und das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmezone 6 abgesenkt, um für die Wärmequelle einer höheren Temperatur bereit zu sein. Was das thermoelektrische Wandlermodul 5 auf der stromabwärtigen Seite der Kühlzone 9c betrifft, werden die thermoelektrischen Elemente 2 einer niedrigeren Betriebstemperatur verwendet und das Emissionsvermögen erhöht, um der Wärmequelle einer niedrigeren Temperatur zu ermöglichen, in die Nähe der maximalen Arbeitstemperatur des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 zu kommen. Somit kann das thermoelektrische Wandlersystem 1 eine noch größere Ausgabe erzielen und seinen wirtschaftlichen Wirkungsgrad (Ausgabe/Kosten) verbessern.
Beispiel
Eine Mehrzahl von thermoelektrischen Wandlermodulen 5 ist entlang des Bewegungspfads des Werkstücks 3 in der Umhüllung 9 der Kühlzone 9c des in 1 bis 4 gezeigten Sinterofens angeordnet. Die axiale Länge L1 der Vorwärmezone 9a des Sinterofens 8 beträgt 3 m, die axiale Länge L2 der Sinterzone 9b beträgt 4 m und die axiale Länge L3 der Kühlzone 9c beträgt 8 m. Wie in 4 gezeigt ist, ist das Werkstück (Graphitkasten) 3, das durch die Heizzone 9a und die Sinterzone 9b erwärmt wird, bei 1100°C am Auslass der Sinterzone 9b, d. h. dem Einlass der Kühlzone 9c. Es sei angenommen, dass eine Hauptstromtemperatur des Kühlwassers als Kühlung 4 fast konstant 30° beträgt. Eine Reduktionsatmosphäre ist innerhalb der Umhüllung 9 der Kühlzone 9c. Die thermoelektrischen Elemente, deren maximale Arbeitstemperatur 550°C beträgt, wurden als thermoelektrischen Wandlermodule 5 verwendet, und der Installationsbereich L4 der thermoelektrischen Wandlermodule 5 betrug 2,5 m von dem Einlass der Kühlzone. Der Bereich L4 zum Installieren der thermoelektrischen Wandlermodule 5 ist jedoch nicht auf dieses Beispiel beschränkt.

Gemäß diesem Beispiel wurde der Installationsbereich L4 der thermoelektrischen Wandlermodule 5 gleichmäßig in zehn Bereiche in der Bewegungsrichtung des Werkstücks aufgeteilt, und das Emissionsvermögen ε₂ der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 jedes Bereiches wurde gemäß der folgenden Tabelle 3 eingestellt. Die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 in dem ersten Bereich war aus geschliffenem Eisen, die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 in dem zweiten Bereich war aus Nickel, die Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 in dem dritten Bereich war aus Messing und die Wärmeaufnahmeoberflächen 18 in den vierten bis zehnten Bereichen waren aus oxidiertem Eisen zusammengesetzt. Tabelle 3

Erster Bereich (stromaufwärtigster)	Emissionsvermögen	0,29
Zweiter Bereich	Emissionsvermögen	0,41
Dritter Bereich	Emissionsvermögen	0,61
Vierte bis zehnte Bereiche	Emissionsvermögen	0,79

Und Messungen wurden hinsichtlich einer Temperatur T_KASTEN des Werkstücks (Graphitkasten) 3 und einer Temperatur T_HEISS der Wärmeaufnahmeoberflächen 18 der thermoelektrischen Wandlermodule 5 von jedem der in zehn aufgeteilten Bereiche durchgeführt. Als Vergleichsbeispiele wurden Messungen ebenfalls hinsichtlich der Werkstücktemperatur T_KASTEN und der Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T_HEISS im Fall der Ausbildung der Wärmeaufnahmeoberflächen 18 aller thermoelektrischen Wandlermodule 5 mit dem oxidierten Eisen (Emissionsvermögen 0,79) durchgeführt. 13 zeigt die Messergebnisse. Eine durchgezogene Linie mit ♦ in 13 stellt eine Änderung der Werkstücktemperatur T_KASTEN in der Bewegungsrichtung des Werkstücks bei dem Beispiel dar, und die durchgezogene Linie mit
in 13 stellt die Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T_HEISS jedes Bereichs bei dem Beispiel dar. Die gestrichelte Linie mit • in 13 stellt eine Änderung der Werkstücktemperatur T_KASTEN in der Bewegungsrichtung des Werkstücks bei dem Vergleichsbeispiel dar, und die gestrichelte Linie mit ∎ in 13 stellt die Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T_HEISS jedes Bereichs bei dem Vergleichsbeispiel dar. T_KALT in 13 stellt die Hauptstromtemperatur des Kühlwassers dar.
Wie aus 13 offensichtlich ist, übersteigt bei dem Vergleichsbeispiel die Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T_HEISS der ersten und zweiten Bereiche die maximale Arbeitstemperatur 550°C des thermoelektrischen Wandlermoduls 5, so dass das thermoelektrische Wandlermodul 5 beschädigt werden kann. Bei dem Beispiel wird die Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T_HEISS der ersten bis dritten Bereiche näherungsweise auf der maximalen Arbeitstemperatur 550°C des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 gehalten. Genauer gesagt werden die Wärmeaufnahmeoberflächen 18 der thermoelektrischen Wandlermodule 5 nahe der maximalen Arbeitstemperatur bei den ersten bis dritten Bereichen stromaufwärts in der Kühlzone 9c erwärmt. Daher können die thermoelektrischen Wandlermodule 5 bei den ersten bis dritten Bereichen die beste Leistung geben, während der einwandfreie Zustand beibehalten wird.
Die Wärmeaufnahmeoberflächentemperatur T_HEISS des vierten Bereichs und danach senkt sich bei dem Beispiel allmählich ab, wenn sie stromabwärts von der Kühlzone 9c vorrückt. Sie ist jedoch höher als die des Vergleichsbeispiels. Die Werkstücktemperatur T_KASTEN des Beispiels ist ebenfalls höher als die des Vergleichsbeispiels. Dies ist vermutlich deshalb so, weil im Fall dieses Beispiels das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberflächen 18 der thermoelektrischen Wandlermodule 5 auf der stromaufwärtigen Seite (den ersten bis dritten Bereiche) der Kühlzone 9c so niedrig ist, dass die Temperatur des Werkstücks 3 nicht abgesenkt wird, sondern länger als das Vergleichsbeispiel hoch gehalten wird. Genauer gesagt ist es gemäß diesem Beispiel möglich, die Temperaturdifferenz zwischen den Wärmeaufnahmeoberflächen 18 und den Kühloberflächen 7a auf der stromabwärtigen Seite der Kühlzone 9c größer als die des Vergleichsbeispiels zu machen. Die Ausgabe ist näherungsweise proportional einem Quadrat der Temperaturdifferenz, mit der die thermoelektrischen Elemente 2 belastet sind. Gemäß diesem Beispiel steigt die Temperaturdifferenz, mit der die thermoelektrischen Elemente 2 belastet sind, ab dem vierten Bereich um 10% gegenüber dem Vergleichsbeispiel an, und es wird geschätzt, dass die Ausgabe um 20% ansteigt. Daher wird die Energieerzeugungsleistung des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 ab dem vierten Bereich bei der Erfindung ebenfalls verbessert.
Wie oben beschrieben wurde verifiziert, dass die Erfindung den einwandfreien Zustand des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 beibehält und ebenfalls einen Anstieg in der Ausgabe des thermoelektrische Wandlersystem 5 erzielt, um die Energieerzeugungsleistung zu verbessern.
Die oben erwähnte Ausführungsform ist ein Beispiel der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Die Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern verschiedene Änderungen können durchgeführt werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise ist die Erfindung nicht auf das Bewegen der Wärmequelle 3 zu dem thermoelektrischen Wandlermodul 5 wie bei dem Sinterofen 8 beschränkt. Es ist ebenfalls möglich, die Positionsbeziehung zwischen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 und der Wärmequelle 3 festzulegen. Wenn die Wärmemenge, die von der Wärmequelle 3 auf einer Mehrzahl von Wärmeaufnahmeoberflächen 18 oder jeder der Zonen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 aufgenommen wird, durch Berechnung oder Messung erfasst wird, ist es möglich, ein optimales Emissionsvermögen auf jeder der Zonen der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zu erfassen, d. h., das optimale Emissionsvermögen, um die Wärmemenge, die in das thermoelektrische Wandlermodul eingegeben wird, auf die maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen und das thermoelektrische Wandlermodul bei der Temperatur so nahe wie möglich zu der maximalen Arbeitstemperatur zu betätigen. Die Kühlung 4 zum Kühlen der Kühloberfläche 7a des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 ist nicht auf das Kühlwasser beschränkt, sondern die Kühloberfläche 7a kann ebenfalls durch natürliche Konvektion der Umgebungsluft gekühlt werden.
Die in 7 und 8 gezeigten Beispiele stellen die Schürzenzonen 14 zum Überdecken der Seitenflächen der thermoelektrischen Elemente 2 der thermoelektrischen Wandlermodule 5 vom Einzel-Paar-Typ bereit. Die Schürzenzonen 14 können jedoch ebenfalls durch die thermoelektrischen Wandlermodule 5 bereitgestellt werden, die eine Mehrzahl von thermoelektrischen Halbleitern vom P-Typ 2a und eine Mehrzahl von thermoelektrischen Halbleitern vom N-Typ 2b umfassen, wie in 5 und 6 gezeigt ist. Wie in 14 und 15 beispielsweise gezeigt ist, können die Schürzenzonen 14 zum Überdecken der Seitenflächen der thermoelektrischen Elemente 2 durch Verlängern und Biegen der Wärmeaufnahmeplatte 61 zu der Seite der Kühloberfläche 7a hin bereitgestellt werden. Wenn ein großer Spalt zwischen der Trennwand (Umhüllung 9) zum Aufteilen der Wärmequelle 3 und des Kühlmittels 4 und den Schürzenzonen 14 erzeugt wird, gibt es eine Möglichkeit, dass die Seitenflächen der thermoelektrischen Elemente 2 Wärme durch Strahlung von der Wärmequelle 3 über diesen Spalt aufnehmen können. Somit ist es möglich, wie beispielsweise in 14 und 15 gezeigt ist, die Kühlplatte 71 zu verlängern und sie zu der Seite der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 zu biegen, um eine Abschirmungszone 19 zum Überdecken der Seitenflächen der thermoelektrischen Elemente 2 bereitzustellen. Die Abschirmungszone 19 kann ebenfalls an dem thermoelektrischen Wandlermodul vom Einzel-Paar-Typ, die in 7 und 8 gezeigt ist, als eine Selbstverständlichkeit bereitgestellt werden. Die Schürzenzonen 14 und die Abschirmungszone 19 sind nicht auf jene beschränkt, die einstückig mit der Wärmeaufnahmeplatte 61 oder der Kühlplatte 71 sind, sondern die Schürzenzonen 14 und die Abschirmungszone 19 können als getrennte Elemente ebenfalls an der Wärmeaufnahmeplatte 61 oder der Kühlplatte 71 durch Befestigungsmittel, wie beispielsweise Klebstoff, befestigt werden. Außerdem ist es wünschenswert, das Emissionsvermögen der Oberflächen 14a und 19a der Schürzenzonen 14 und der Abschirmungszone 19, d. h. das Emissionsvermögen der Oberflächen, die das thermoelektrische Wandlermodul 5 bilden, so niedrig wie möglich zu machen. Genauer gesagt sollte das Emissionsvermögen wünschenswerterweise das der Wärmeaufnahmeoberflächen 18 oder weniger sein, bevorzugt sogar unter der der Wärmeaufnahmeoberflächen 18. Somit werden die Seitenflächen des thermoelektrischen Wandlermoduls 5 weniger erwärmbar, um zu verhindern, dass der Wärmeabfall der thermoelektrischen Elemente 2 klein wird.
Die Erfindung bezieht sich auf ein thermoelektrisches Wandlersystem zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle 3 und ein Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads des thermoelektrisches Wandlersystem, wobei das System umfasst: mindestens ein thermoelektrisches Wandlermodul 5, das mindestens ein Paar von thermoelektrischen Elementen 2 aufweist, eine Wärmeaufnahmezone 6, die angeordnet ist, so dass sie eine Wärmequelle 3 nicht kontaktiert, um Wärme durch Strahlung von der Wärmequelle 3 aufzunehmen, und eine Strahlungszone 7, die an einer gegenüberliegenden Seite bezüglich der Wärmeaufnahmezone 6 positioniert ist und durch eine Kühlung 4 gekühlt wird, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmezone 6 und der Strahlungszone 7 erzeugt wird, mit einer kontinuierlichen oder aufgeteilten Wärmeaufnahmeoberfläche 18, die durch eine oder eine Mehrzahl von Oberflächen gebildet wird, die der Wärmequelle 3 der Wärmeaufnahmezone 6 gegenüberliegt, und wobei jede Wärmeaufnahmeoberfläche 18 eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle 3 empfängt, wobei das System die der Wärmeaufnahmeoberfläche 18 mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Emissionsvermögen gemäß der von der Wärmequelle 3 aufgenommenen Wärmemenge aufweist.

1: Thermoelektrisches Wandlersystem
2: Thermoelektrisches Element
3: Wärmequelle, Werkstück, Graphitkasten
4: Kühlung
5: Thermoelektrisches Wandlermodul
6: Wärmeaufnahmezone
61: Wärmeaufnahmeplatte
7: Strahlungszone
71: Kühlplatte
7a: Kühloberfläche
8: Sinterofen
9: Umhüllung
9a: Vorwärmezone
9b: Sinterzone
9c: Kühlzone
11: Kühlmantel
18: Wärmeaufnahmeoberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 2002-171776 [0002]
- JP 3056047 [0046]
- JP 3482094 [0046]

Claims

Thermoelektrisches Wandlersystem mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlermodul (5), das mindestens ein Paar thermoelektrischer Elemente (2), eine Wärmeaufnahmezone (6) zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle (3) und eine Strahlungszone (7) aufweist, die auf einer gegenüberliegenden Seite bezüglich der Wärmeaufnahmezone (6) positioniert und durch eine Kühlung (4) kühlbar ist, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmezone (6) und der Strahlungszone (7) erzeugt werden kann, und mit einer kontinuierlichen oder aufgeteilten Wärmeaufnahmeoberfläche (18), die durch eine oder einer Mehrzahl von Oberflächen gebildet ist, und die der Wärmequelle (3) der Wärmeaufnahmezone (6) gegenüberliegt, wobei jede Wärmeaufnahmeoberfläche (18) eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle (3) empfangen kann, wobei das System die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) mit einer Mehrzahl von unterschiedlichen Emissionsvermögen gemäß der von der Wärmequelle (3) empfangenen Wärmemenge aufweist.
Thermoelektrisches Wandlersystem gemäß Anspruch 1, bei dem das Emissionsvermögen jeder Wärmeaufnahmeoberfläche (18) auf einem Zielwert durch Auswählen der die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) bildenden Grundmaterials, einer oder einer Mehrzahl von Abdeckungsmaterialien zum Abdecken eines Teils oder des gesamten Grundmaterials und/oder eines Grads der Oberflächenrauigkeit der Wärmeaufnahmeoberfläche oder durch Kombination dieser Parameter eingestellt ist.
Thermoelektrisches Wandlersystem gemäß Anspruch 2, bei dem die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) durch Anordnen von zwei oder mehreren Materialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen gebildet ist.
Thermoelektrisches Wandlersystem gemäß Anspruch 3, bei dem die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) durch regelmäßiges Anordnen von zwei Abdeckungsmaterialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen oder eines Abdeckungsmaterials und des Grundmaterials mit unterschiedlichen Emissionsvermögen gebildet ist, und wobei Reihen der Materialien mit unterschiedlichen Emissionsvermögen in einer Projektionsebene der thermoelektrischen Elemente (2) auf der Wärmeaufnahmeoberfläche (18) existieren.
Thermoelektrisches Wandlersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die thermoelektrischen Elemente (2) einer hohen Betriebstemperatur als thermoelektrische Elemente (2) ausgewählt sind, die auf die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) anwendbar sind, die für eine große Wärmemenge von der Wärmequelle (3) vorgesehen ist, und thermoelektrische Elemente (2) einer niedrigen Betriebstemperatur als thermoelektrische Elemente (2) ausgewählt sind, die auf die Wärmeaufnahmeoberfläche (18) anwendbar sind, die für eine kleine Wärmemenge von der Wärmequelle (3) vorgesehen ist.
Thermoelektrisches Wandlersystem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Wärmequelle (3) eine sich bewegende Wärmequelle (3) ist und das thermoelektrische Wandlermodul (5) entlang eines Bewegungspfads der sich bewegenden Wärmequelle (3) bereitgestellt ist, und das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche (18) auf einer stromaufwärtigen Seite des Bewegungspfads niedriger als das Emissionsvermögen der Wärmeaufnahmeoberfläche (18) auf einer stromabwärtigen Seite des Bewegungspfads eingestellt ist.
Thermoelektrisches Wandlersystem gemäß Anspruch 6, bei dem die sich bewegende Wärmequelle (3) ein Werkstück ist, das sich von einer Heizzone (9a, 9b) zu einer Kühlzone (9c) innerhalb einer Umhüllung (9) eines Sinterofens (8) bewegbar ist, wobei ein Kühlmantel (11) um die Umhüllung (9) in der Kühlzone (9c) vorgesehen ist und das thermoelektrische Wandlermodul (5) entlang des Bewegungspfads des Werkstücks innerhalb der Umhüllung (9) in der Kühlzone (9c) installiert ist.
Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines thermoelektrischen Wandlersystems mit mindestens einem thermoelektrischen Wandlermodul (5), das mindestens ein Paar thermoelektrischer Elemente (2), eine Wärmeaufnahmezone (6) zum Aufnehmen von Wärme durch Strahlung von einer Wärmequelle (3) und eine Strahlungszone (7) aufweist, die auf einer gegenüberliegenden Seite bezüglich der Wärmeaufnahmezone (6) positioniert und durch eine Kühlung (4) kühlbar ist, wobei elektrische Energie durch eine Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeaufnahmezone (6) und der Strahlungszone (7) erzeugt wird, einer kontinuierlichen oder aufgeteilten Wärmeaufnahmeoberfläche (18), die durch eine oder eine Mehrzahl von Oberflächen gebildet ist, und die der Wärmequelle (3) der Wärmeaufnahmezone (6) gegenüberliegt, wobei jede Wärmeaufnahmeoberfläche (18) eine unterschiedliche Wärmemenge von der Wärmequelle (3) empfängt, wobei das Verfahren das Einstellen des Emissionsvermögens jeder Wärmeaufnahmeoberfläche (18) auf einen unterschiedlichen Wert gemäß der von der Wärmequelle (3) aufgenommenen Wärmemenge umfasst, um eine in das thermoelektrische Wandlermodul (5) einzugebende Wärmemenge auf eine maximale Arbeitstemperatur oder weniger zu begrenzen und das thermoelektrische Wandlermodul (5) bei einer Temperatur nahe der maximalen Arbeitstemperatur zu betätigen, um eine Gesamtausgabe zu steigern.