DE212023000157U1

DE212023000157U1 - Thermoelectric module for the use of waste heat

Info

Publication number: DE212023000157U1
Application number: DE212023000157.8U
Authority: DE
Original assignee: Alternative Energy Innovations SL
Current assignee: Alternative Energy Innovations SL
Priority date: 2022-02-15
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2024-10-18
Anticipated expiration: 2033-02-10
Also published as: ES1287834U; WO2023156689A1; ES1287834Y; JP3251548U

Abstract

Thermoelektrisches Modul (1) zur Nutzung von Abwärme, insbesondere zur Installation an Industrie-Rohren (3) geeignet, umfassend zumindest Wärmesammelmittel (2), Energieerzeugungsmittel (4) und Wärmedissipationsmittel (5), dadurch gekennzeichnet, dass
• die Wärmesammelmittel (2) umfassen zumindest einen unteren Wärmesammler (21), der im Wesentlichen aus einem bogenförmigen Stück eines wärmeleitenden Materials besteht, das so angepasst ist, dass es auf seiner inneren Fläche mit der Oberfläche einer externen Wärmequelle in Kontakt steht, einen oberen Wärmesammler (22), der im Wesentlichen aus einem umgekehrten Kegelstumpfstück aus einem wärmeleitenden Material besteht, das so angepasst ist, dass es an seiner unteren Basis mit dem unteren Sammler und an seiner oberen Fläche mit den Wärmedissipationsmitteln in Kontakt steht, und ein Befestigungselement (23), das so angepasst ist, dass es den unteren Sammler fest am Rohr (3) der Wärmequelle befestigt;
• die Energieerzeugungsmittel (4), die zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie angepasst sind, umfassen zumindest einen thermoelektrischen Generator (41), der zwischen dem oberen Sammler (22) und den Wärmedissipationsmitteln (5) angeordnet ist; und
• die Wärmedissipationsmittel (5) umfassen eine Basis (51), die an den oberen Sammler (22) gekoppelt ist, und einen Kühlkörper (51) mit einer Vielzahl von Lamellen (52), um die maximal mögliche Wärme, die vom thermoelektrischen Generator (41) kommt, über die Basis (51) aufzunehmen.

Thermoelectric module (1) for the use of waste heat, particularly suitable for installation on industrial pipes (3), comprising at least heat collecting means (2), energy generating means (4) and heat dissipating means (5), characterized in that
• the heat collecting means (2) comprise at least a lower heat collector (21) consisting essentially of an arcuate piece of heat-conducting material adapted to be in contact on its inner surface with the surface of an external heat source, an upper heat collector (22) consisting essentially of an inverted frustum of a cone made of heat-conducting material adapted to be in contact on its lower base with the lower collector and on its upper surface with the heat dissipation means, and a fixing element (23) adapted to firmly fix the lower collector to the tube (3) of the heat source;
• the energy generation means (4) adapted to convert heat into electrical energy comprise at least one thermoelectric generator (41) arranged between the upper collector (22) and the heat dissipation means (5); and
• the heat dissipation means (5) comprise a base (51) coupled to the upper collector (22) and a heat sink (51) with a plurality of fins (52) to absorb the maximum possible heat coming from the thermoelectric generator (41) via the base (51).

Description

Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention

Diese Erfindung betrifft ein thermoelektrisches Modul zur Nutzung von Abwärme, das insbesondere zur Installation an Rohren oder industriellen Oberflächen geeignet ist, die als Wärmequelle dienen.This invention relates to a thermoelectric module for the utilization of waste heat, which is particularly suitable for installation on pipes or industrial surfaces that serve as a heat source.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Seit vielen Jahren werden fossile Brennstoffe übermäßig als Mittel zur Energiegewinnung genutzt, was zu schweren Konsequenzen wie der globalen Erwärmung unseres Planeten geführt hat. Fossile Brennstoffe sind endlich, und ihre Gewinnung, Umwandlung oder Nutzung erzeugt neben anderen Nachteilen Emissionen von Gasen, die schädlich für die Umwelt und für Lebewesen sind.For many years, fossil fuels have been used excessively as a means of generating energy, which has led to serious consequences such as global warming of our planet. Fossil fuels are finite and their extraction, transformation or use generates, among other disadvantages, emissions of gases that are harmful to the environment and living beings.

Heutzutage wird den Menschen zunehmend bewusst, wie wichtig es ist, die Umwelt zu schützen, indem andere Energiequellen erforscht und entwickelt werden, wie beispielsweise erneuerbare Energiequellen. Zusätzlich dazu, dass Energie intelligenter und nachhaltiger genutzt wird, um verschwenderischen Verbrauch zu vermeiden, und Geräte effizienter gemacht werden, um weniger zu verbrauchen, wird begonnen, erneuerbare Quellen wie Solar-, Wind-, Geothermie- und andere Energien, zu implementieren.Nowadays, people are becoming increasingly aware of the importance of protecting the environment by researching and developing other energy sources, such as renewable energy sources. In addition to using energy more intelligently and sustainably to avoid wasteful consumption and making appliances more efficient to consume less, people are beginning to implement renewable sources such as solar, wind, geothermal and other energies.

Unter diesen Arten von Entwicklungen zur Optimierung von Energieressourcen ist eine der aufstrebenden Technologien, die von der vorliegenden Erfindung angesprochen wird, die Thermoelektrizität. Wie der Name schon suggeriert, ist Thermoelektrizität ein Zweig der Physik, der die direkte Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt untersucht. Obwohl sie vor mehr als 180 Jahren entdeckt wurde, gewinnt sie jetzt aufgrund ihrer Anwendung und Ausnutzung zur Optimierung von Energieressourcen mehr Interesse. Among these types of developments for optimizing energy resources, one of the emerging technologies addressed by the present invention is thermoelectricity. As the name suggests, thermoelectricity is a branch of physics that studies the direct conversion of thermal energy into electrical energy or vice versa. Although it was discovered more than 180 years ago, it is now gaining more interest due to its application and exploitation for optimizing energy resources.

Hauptsächlich liegt das Interesse an der Thermoelektrizität in ihrer Fähigkeit, Abwärme in elektrische Energie umzuwandeln, die als Energiequelle für andere Anwendungen genutzt werden kann. Abwärme ist Wärme, die in einem industriellen oder nicht-industriellen Prozess verschwendet wird und nicht weiter genutzt, sondern in die Umwelt abgegeben wird. Es hat a priori weniger Nutzen als die ursprüngliche Energiequelle und kann, als niederenergetische Wärme betrachtet werden. Hier wird die Thermoelektrizität als vielversprechende Technologie angesehen, um verlorene Wärme zurückzugewinnen und die Effizienz zu steigern, wodurch schädliche Umweltverschwendung vermieden wird.The main interest in thermoelectricity lies in its ability to convert waste heat into electrical energy that can be used as an energy source for other applications. Waste heat is heat that is wasted in an industrial or non-industrial process and is not further used but is released into the environment. It has a priori less utility than the original energy source and can be considered as low-energy heat. Here, thermoelectricity is seen as a promising technology to recover lost heat and increase efficiency, thus avoiding harmful environmental waste.

Der Pionier der Thermoelektrizität war der deutsche Wissenschaftler Thomas Johann Seebeck (1770-1831). Im Jahr 1822 fasste er die Ergebnisse seiner Experimente in dem Artikel „Über die magnetische Polarisation der Metalle und Erze durch Temperaturdifferenz“ zusammen. Seebeck experimentierte damit, wie eine Kompassnadel abgelenkt wird, wenn sie in der Nähe eines geschlossenen Kreises aus zwei Leitern platziert wurde, bei dem eine der Verbindungen erhitzt wurde. Er zog fälschlicherweise den Schluss, dass die Wechselwirkung auf ein magnetisches Phänomen zurückzuführen sei, und versuchte, weiterhin dieser Überzeugung folgend, den Erdmagnetismus mit dem Temperaturunterschied zwischen Äquator und Polen in Verbindung zu bringen. Obwohl es ihm nicht gelang, den Effekt korrekt zu definieren, untersuchte Seebeck das Phänomen an einer großen Anzahl von Materialien, einschließlich einiger, die wir heute als Halbleiter kennen.The pioneer of thermoelectricity was the German scientist Thomas Johann Seebeck (1770-1831). In 1822, he summarized the results of his experiments in the article "On the magnetic polarization of metals and ores by temperature difference." Seebeck experimented with how a compass needle is deflected when placed near a closed circuit of two conductors in which one of the connections was heated. He incorrectly concluded that the interaction was due to a magnetic phenomenon and, continuing this belief, tried to link terrestrial magnetism to the temperature difference between the equator and the poles. Although he failed to define the effect correctly, Seebeck studied the phenomenon on a large number of materials, including some that we now know as semiconductors.

Jahre später wurde 1834 der Peltier-Effekt entdeckt, der den Seebeck-Effekt ergänzt. Dieser Effekt tritt auf, wenn ein Strom durch einen Stromkreis mit zwei verschiedenen Leitern fließt; je nach Stromrichtung kann die Verbindung der beiden Leiter Wärme abgeben oder absorbieren. Dieser Effekt wurde vom französischen Physiker Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845) entdeckt. Wie Seebeck interpretierte auch Peltier die Ergebnisse seiner Forschung falsch, da er es versäumte, die Grundlage seiner Beobachtungen zu bewerten oder den Effekt mit Seebecks Erkenntnissen in Verbindung zu bringen. Erst 1838 bewies Emily Lenz (1804-1865), dass der Peltier-Effekt ein eigenständiges physikalisches Phänomen ist, das darin besteht, dass zusätzliche Wärme an der Verbindung der Leiter freigesetzt oder absorbiert wird, wenn ein Strom durch sie fließt, was sie dadurch demonstrierte, dass sie Wasser durch Umkehrung der Stromrichtung zuerst einfror und dann wieder schmolz.Years later, in 1834, the Peltier effect was discovered, complementing the Seebeck effect. This effect occurs when a current flows through a circuit with two different conductors; depending on the direction of the current, the junction of the two conductors can release or absorb heat. This effect was discovered by the French physicist Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845). Like Seebeck, Peltier misinterpreted the results of his research, failing to evaluate the basis of his observations or to relate the effect to Seebeck's findings. It was not until 1838 that Emily Lenz (1804-1865) proved that the Peltier effect is a separate physical phenomenon consisting in the release or absorption of additional heat at the junction of the conductors when a current flows through them, which she demonstrated by first freezing and then melting water by reversing the direction of the current.

20 Jahre später schrieb William Thomson eine umfassende Erklärung der Seebeck- und Peltier-Effekte und beschrieb die Beziehung zwischen ihnen. Darüber hinaus sagte er die Existenz eines dritten thermoelektrischen Effekts voraus, des Thomson-Effekts, den er durch experimentelle Beobachtung sequenzierte. Dieser Effekt bezieht sich auf das Erwärmen oder Abkühlen in einem homogenen Leiter bei Vorhandensein eines Temperaturgradienten, wenn ein Strom durch ihn fließt.20 years later, William Thomson wrote a comprehensive explanation of the Seebeck and Peltier effects and described the relationship between them. In addition, he predicted the existence of a third thermoelectric effect, the Thomson effect, which he sequenced through experimental observation. This effect refers to the heating or cooling in a homogeneous conductor in the presence of a temperature gradient when a current flows through it.

Die Entdeckungen führten zur Entwicklung eines neuen Ingenieurzweigs, der Thermoenergie-Ingenieurwissenschaft, die die Prozesse der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie (Seebeck-Effekt) sowie das thermoelektrische Heizen und Kühlen (Peltier-Effekt) untersucht.The discoveries led to the development of a new branch of engineering, thermoenergy engineering, which studies the processes of converting thermal energy into electrical energy (Seebeck effect) and thermoelectric heating and cooling (Peltier effect).

In der Mitte des 20. Jahrhunderts erlebte die Thermoelektrizität ein Wiederaufleben aufgrund der Entdeckung synthetischer Halbleiter mit hohen Seebeck-Koeffizienten. Da sich Halbleiter im Vergleich zu Metallen jedoch nicht verbesserten, schwand das Interesse. Erst in den 1950er Jahren wurden Verbundhalbleiter entwickelt, die thermoelektrische Verbesserungen ermöglichten und mögliche militärische Anwendungen anregten.In the mid-20th century, thermoelectricity experienced a resurgence due to the discovery of synthetic semiconductors with high Seebeck coefficients. However, as semiconductors did not improve compared to metals, interest waned. It was not until the 1950s that compound semiconductors were developed, enabling thermoelectric improvements and stimulating possible military applications.

In den frühen 1960er Jahren erforderte die Weltraumforschung sowie die Erkundung von terrestrischen Ressourcen in feindlichen Umgebungen autonome Stromquellen. Die Thermoelektrizität erwies sich für diese Fälle als ideale Technologie, da das Fehlen beweglicher Teile, ihre Zuverlässigkeit und ihr geräuschloser Betrieb ihre relativ hohen Kosten und niedrige Effizienz ausgleichen. Daher wurden für das Apollo-Weltraumprogramm und für die Kommunikation mit dem Mond radioisotopenbetriebene Generatoren entwickelt, aus denen die meisten Materialien stammen, die in den heute kommerziell erhältlichen Generatoren verwendet werden.In the early 1960s, space exploration and the exploration of terrestrial resources in hostile environments required autonomous power sources. Thermoelectricity proved to be an ideal technology for these cases, since the absence of moving parts, its reliability and its silent operation compensate for its relatively high cost and low efficiency. Therefore, radioisotope-powered generators were developed for the Apollo space program and for communication with the Moon, from which most of the materials used in today's commercially available generators come.

Derzeit gibt es einen starken Anstieg der thermoelektrischen Forschung aufgrund der Suche nach Energiealternativen für die großflächige Produktion. Heutzutage werden thermoelektrische Generatoren (bekannt als TEGs) aus verschiedenen Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Ergebnissen hergestellt.Currently, there is a sharp increase in thermoelectric research due to the search for energy alternatives for large-scale production. Nowadays, thermoelectric generators (known as TEGs) are made from various semiconductor materials with varying results.

Ein thermoelektrischer Generator besteht aus einem oder mehreren thermoelektrischen Modulen. Thermoelektrische Module oder Peltier-Zellen (Handelsname) wandeln Wärme direkt in Elektrizität um. Wärme induziert die Zirkulation eines elektrischen Stroms, der von einer Wärmequelle durch den thermoelektrischen Generator (Thermogenerator) fließt.A thermoelectric generator consists of one or more thermoelectric modules. Thermoelectric modules or Peltier cells (trade name) convert heat directly into electricity. Heat induces the circulation of an electric current that flows from a heat source through the thermoelectric generator (thermogenerator).

Um durch den thermoelektrischen Effekt Elektrizität zu erzeugen, werden eine Peltier-Zelle und ein Temperaturunterschied zwischen ihren beiden Seiten benötigt. Da die erzeugte elektrische Energie proportional zur thermischen Energie ist, die durch die Zelle fließt, müssen die heißen und kalten Quellen kontinuierlich Wärme zuführen und abführen, um diesen thermischen Unterschied aufrechtzuerhalten.To generate electricity through the thermoelectric effect, a Peltier cell and a temperature difference between its two sides are needed. Since the electrical energy generated is proportional to the thermal energy flowing through the cell, the hot and cold sources must continuously add and remove heat to maintain this thermal difference.

Eine Peltier-Zelle besteht aus zwei Keramikplatten, die als Basis für Thermoelemente oder Thermoelementpaare (Typ P und Typ N) aus Halbleitermaterialien dienen. Diese Platten sorgen außerdem für mechanische Stabilität und dienen als elektrische Isolatoren.A Peltier cell consists of two ceramic plates that serve as a base for thermocouples or thermocouple pairs (type P and type N) made of semiconductor materials. These plates also provide mechanical stability and serve as electrical insulators.

Ein konventionelles Modul besteht aus mehreren thermoelektrischen Paaren (Halbleiterelemente mit P- und N-Dotierung), die elektrisch in Reihe und thermisch parallel verbunden sind, wobei es leere Bereiche gibt, in denen beide Halbleiter durch metallische Verbindungen mit hoher elektrischer Leitfähigkeit verbunden sind. Eine Peltier-Zelle besteht aus 100 bis 600 Thermoelementen.A conventional module consists of several thermoelectric pairs (semiconductor elements with P and N doping) that are electrically connected in series and thermally in parallel, with empty areas where both semiconductors are connected by metallic connections with high electrical conductivity. A Peltier cell consists of 100 to 600 thermocouples.

Diese Module sind geräuschlos, haben keine beweglichen Teile und erfordern keine Wartung.These modules are silent, have no moving parts and require no maintenance.

Außerdem sind sie klein und leicht und können in einem breiten Temperaturspektrum eingesetzt werden. Sie haben jedoch einen großen Nachteil: ihre geringe Effizienz.They are also small and lightweight and can be used in a wide range of temperatures. However, they have one major disadvantage: their low efficiency.

Diese Effizienz hängt mit den Halbleitermaterialien zusammen, die die thermoelektrischen Paare bilden und wird derzeit erforscht, um sie zu verbessern, jedoch schreitet der Prozess langsam voran. Um die Leistung zu steigern, müssen daher die Wärmeübertragungssysteme auf beiden Seiten der Zelle optimiert werden, um die erzeugte elektrische Leistung zu erhöhen. Dies wird teilweise erreicht, wenn die Temperaturen der kalten oder heißen Quelle den Ursprungstemperaturen der Quellen ähneln.This efficiency is related to the semiconductor materials that form the thermoelectric couples and research is currently being carried out to improve them, but the process is progressing slowly. To increase performance, the heat transfer systems on both sides of the cell must therefore be optimized to increase the electrical power produced. This is partially achieved when the temperatures of the cold or hot source are similar to the original temperatures of the sources.

Um eine effizientere Alternative anzubieten, hat der Anmelder bereits eine Lösung beschrieben, die in der Patentanmeldung P202100024 beschrieben ist. Es wird jedoch eine spezifischere Lösung für Industrierohre benötigt.To offer a more efficient alternative, the applicant has already described a solution, which is described in patent application P202100024. However, a more specific solution for industrial pipes is needed.

Angesichts des aktuellen Stands der Technik besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, ein thermoelektrisches Modul zu erhalten, das eine verbesserte Kopplung an Industrierohre ermöglicht und genügend Energie erzeugt, um elektronische Geräte oder Industriesensoren durch Nutzung der Abwärme der zu überwachenden Maschine oder des zu überwachenden Prozesses mit Strom zu versorgen.Given the current state of the art, the aim of the present invention is to obtain a thermoelectric module that allows an improved coupling to industrial pipes and generates enough energy to power electronic devices or industrial sensors by using the waste heat of the machine or process to be monitored.

Beschreibung der ErfindungDescription of the Invention

Um eine technische Lösung für die Nutzung industrieller Wärme, insbesondere für Industrierohre, bereitzustellen und dem wachsenden Bedarf gerecht zu werden, verschiedene Parameter des Betriebs von Maschinen und Prozessen in der Industrie zu überwachen, wird ein thermoelektrisches Modul für die Nutzung von Abwärme offenbart, das insbesondere für die Installation an Rohren, Leitungen und Oberflächen in der Industrie angepasst ist und mindestens Wärmesammelmittel, Energieerzeugungsmittel und Wärmedissipationsmittel umfasst. Dieses Modul ermöglicht, zusammen mit der zugehörigen Elektronik, die später vorgestellt wird, diese Überwachung ohne den Bedarf an Verkabelung oder Batterien.In order to provide a technical solution for the utilization of industrial heat, in particular for industrial pipes, and to meet the growing need to monitor various parameters of the operation of machines and processes in industry, a thermoelectric module for the utilization of waste heat is disclosed, particularly adapted for installation on pipes, ducts and surfaces in industry, and comprising at least heat collection means, energy generation means and heat dissipation means. This module, together with the associated electronics presented later, enables this monitoring without the need for wiring or batteries.

Im Wesentlichen ist das thermoelektrische Modul dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmesammelvorrichtung mindestens einen unteren Wärmesammler umfasst, der im Wesentlichen aus einem bogenförmigen Stück eines wärmeleitenden Materials besteht, das so angepasst ist, dass es mit seiner inneren Fläche die Oberfläche einer externen Wärmequelle des thermoelektrischen Moduls kontaktiert. Ein oberer Wärmesammler besteht im Wesentlichen aus einem Stück in Form eines umgekehrten Pyramidenkegels aus einem wärmeleitenden Material, das so angepasst ist, dass es mit seiner unteren Basis den unteren Sammler und mit seiner oberen Fläche die Wärmedissipationsvorrichtung kontaktiert. Ein Befestigungselement ist so ausgelegt, dass es den unteren Sammler fest mit dem Rohr der Wärmequelle verbindet; die Energieerzeugungsvorrichtung, die so ausgelegt ist, dass sie Wärme in elektrische Energie umwandelt, umfasst mindestens einen thermoelektrischen Generator, der sich zwischen dem oberen Sammler und der Wärmedissipationsvorrichtung befindet; und die Wärmedissipationsvorrichtung umfasst mindestens eine Basis, die mit dem oberen Sammler gekoppelt ist, und einen Kühlkörper mit einer Vielzahl von Lamellen, um möglichst viel Wärme vom thermoelektrischen Generator abzuleiten, mit dem sie gekoppelt ist.Essentially, the thermoelectric module is characterized in that the heat collection device comprises at least one lower heat collector consisting essentially of an arcuate piece of a heat-conducting material adapted to contact with its inner surface the surface of an external heat source of the thermoelectric module. An upper heat collector consists essentially of an inverted pyramidal cone-shaped piece of a heat-conducting material adapted to contact with its lower base the lower collector and with its upper surface the heat dissipation device. A fastening element is designed to firmly connect the lower collector to the tube of the heat source; the energy generation device, designed to convert heat into electrical energy, comprises at least one thermoelectric generator located between the upper collector and the heat dissipation device; and the heat dissipation device comprises at least a base coupled to the upper collector and a heat sink having a plurality of fins to dissipate as much heat as possible from the thermoelectric generator to which it is coupled.

Vorteilhafterweise kann, wenn das besagte thermoelektrische Modul auf einem Rohr oder einer Oberfläche platziert wird, die Restwärme davon genutzt werden, um elektrische Energie zu erzeugen, die in anderen Geräten verwendet werden kann. Mit dieser Konfiguration wird die Sammelfläche des unteren Sammlers vergrößert und effizienter in den Energieerzeugungseinheiten durch den oberen Sammler genutzt. Darüber hinaus wird durch die Basis und den Kühlkörper der Dissipationsmedien ein effizienteres Modul erreicht, das die von dem Rohr gewonnene Wärmeenergie besser optimiert, um sie in elektrische Energie umzuwandeln, die für andere Anwendungen oder Dienste genutzt werden kann, was die Energieeffizienz des gesamten Systems erhöht.Advantageously, when said thermoelectric module is placed on a pipe or surface, the residual heat thereof can be used to generate electrical energy that can be used in other devices. With this configuration, the collection surface of the lower collector is increased and used more efficiently in the energy generation units through the upper collector. In addition, thanks to the base and the heat sink of the dissipation media, a more efficient module is achieved that better optimizes the thermal energy obtained from the pipe to convert it into electrical energy that can be used for other applications or services, increasing the energy efficiency of the entire system.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist das thermoelektrische Modul dadurch gekennzeichnet, dass es zwischen dem unteren Sammler und dem oberen Sammler eine Komponente aus einem thermischen Material umfasst, die speziell dafür ausgelegt ist, den thermischen Widerstand durch den Kontakt zwischen den beiden zu verringern. Diese Komponente besteht im Wesentlichen aus Zinn und hat eine im Wesentlichen flache Scheibenform. Vorteilhaft verringert diese Komponente den thermischen Widerstand durch Kontakt und macht die Temperaturübertragung effizienter, wodurch die Leistung dieses thermoelektrischen Moduls durch die Förderung des Wärmetransfers verbessert wird.According to another embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises, between the lower header and the upper header, a component made of a thermal material specifically designed to reduce the thermal resistance by contact between the two. This component consists essentially of tin and has a substantially flat disc shape. Advantageously, this component reduces the thermal resistance by contact and makes the temperature transfer more efficient, thereby improving the performance of this thermoelectric module by promoting heat transfer.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das thermoelektrische Modul dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator mindestens eine thermische Erzeugerzelle aufweist, deren heiße Seite den oberen Sammler kontaktiert, während ihre kalte Seite die Basis der Dissipationsvorrichtung kontaktiert, wodurch die Wärmeenergie zwischen dem heißen Rohr und dem thermoelektrischen Generator geleitet wird. Aufgrund eines Temperaturunterschieds, der zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen erzeugt wird, der einen, die den Sammler kontaktiert, und der anderen, die den Kühlkörper kontaktiert, gewinnt diese Zelle, oder wie sie im Fachgebiet bekannt ist, die TEG-Zelle, thermische Energie, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann.According to a preferred embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the thermoelectric generator comprises at least one thermal generator cell whose hot side contacts the upper collector, while its cold side contacts the base of the dissipation device, thereby conducting the thermal energy between the hot tube and the thermoelectric generator. Due to a temperature difference generated between the opposing surfaces, the one that contacts the collector and the other that contacts the heat sink, this cell, or as it is known in the art, the TEG cell, recovers thermal energy that can be converted into electrical energy.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das thermoelektrische Modul dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper mit einer Vielzahl von vertikalen Lamellen mit Verzweigungen versehen ist, um die Kontaktfläche mit der Umgebung zu vergrößern, wodurch eine schnellere Ableitung überschüssiger Wärme durch natürliche Konvektion ermöglicht wird.According to a further feature of the invention, the thermoelectric module is characterized in that the heat sink is provided with a plurality of vertical fins with branches to increase the contact area with the environment, thereby enabling faster dissipation of excess heat by natural convection.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass die Basis der Dissipationsvorrichtung aus einem umgekehrten Kegel besteht, der darauf ausgelegt ist, den Fluss von einer größeren Fläche, nämlich dem oberen Sammler, auf eine kleinere, den Kühlkörper, zu konzentrieren.Another feature of the invention is that the base of the dissipation device consists of an inverted cone designed to concentrate the flow from a larger area, namely the upper collector, to a smaller one, the heat sink.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das thermoelektrische Modul dadurch gekennzeichnet, dass es ein Elastomer zwischen dem oberen Sammler der Sammelvorrichtung und der Basis der Dissipationsvorrichtung umfasst, das den thermoelektrischen Generator umgibt. Vorteilhafterweise erfüllt dieses Elastomer neben seiner Funktion als Dichtelement zwei weitere Aufgaben: Zum einen soll es verhindern, dass die Wärme vom oberen Sammler zur Basis des Kühlkörpers gelangt und diese verunreinigt, was die Funktion des Kühlkörpers beeinträchtigen würde; zum anderen hat es die Aufgabe, die Anordnung des besagten thermoelektrischen Generators zu rahmen und seine Position zwischen der Sammel- und der Dissipationsvorrichtung zu fixieren.In a preferred embodiment of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises an elastomer between the upper collector of the collector device and the base of the dissipation device, which encloses the thermoelectric generator. Advantageously, in addition to its function as a sealing element, this elastomer has two further functions: firstly, it is intended to prevent the heat from the upper collector from passing to the base of the heat sink and contaminating it, which would impair the operation of the heat sink; secondly, it has the function of framing the assembly of said thermoelectric generator and fixing its position between the collector and the dissipation device.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist das thermoelektrische Modul dadurch gekennzeichnet, dass es ein Elektronikgehäuse umfasst, das in der Lage ist, die für die Verwaltung der vom thermoelektrischen Generator erzeugten elektrischen Energie zuständige Elektronik aufzunehmen, die Daten von einem Sensor zu erfassen und diese Daten über drahtlose Fernkommunikation zu senden.According to another feature of the invention, the thermoelectric module is characterized in that it comprises an electronic housing capable of housing the electronics responsible for managing the electrical energy produced by the thermoelectric generator, collecting the data from a sensor and send this data via wireless remote communication.

Vorteilhafterweise ermöglicht dieses thermoelektrische Modul der Erfindung die Überwachung jeder Maschine, ohne zusätzliche Energie bereitzustellen, indem es die Restwärme der Maschine selbst oder anderer Restquellen in der Umgebung, in der das Modul angewendet wird, nutzt.Advantageously, this thermoelectric module of the invention allows the monitoring of any machine without providing additional energy by using the residual heat of the machine itself or other residual sources in the environment in which the module is applied.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings

Zur Vervollständigung der vorliegenden Beschreibung und um das Verständnis der Merkmale der Erfindung zu erleichtern, ist diesem beschreibenden Bericht eine Reihe von Zeichnungen beigefügt, die beispielhaft, aber nicht beschränkend, eine Ausführungsform des thermoelektrischen Moduls der Erfindung veranschaulichen. Insbesondere sind die folgenden Darstellungen enthalten:

1 ist eine schematische Explosionsansicht eines thermoelektrischen Moduls gemäß der Erfindung.
2 und 3 sind perspektivische Ansichten eines gemäß der Erfindung an einem Rohr angebrachten thermoelektrischen Moduls.
4 ist eine schematische Schnittansicht des thermoelektrischen Moduls gemäß der Erfindung, in der die Temperaturflüsse dargestellt sind.

To complete the present description and to facilitate the understanding of the features of the invention, a series of drawings are attached to this descriptive report which illustrate, by way of example but not limitation, an embodiment of the thermoelectric module of the invention. In particular, the following representations are included:

1 is a schematic exploded view of a thermoelectric module according to the invention.
2 and 3 are perspective views of a thermoelectric module mounted on a pipe according to the invention.
4 is a schematic sectional view of the thermoelectric module according to the invention, illustrating the temperature flows.

Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Die zeigen ein thermoelektrisches Modul 1 zur Nutzung von Restwärme, das auf einem Industrierohr 3 installiert ist. Die Explosionsansicht in kann herangezogen werden, um das Verständnis der Elemente, die das Modul zusammensetzen, zu erleichtern. Um das Verständnis der Erfindung weiter zu verbessern, zeigt eine Schnittansicht des thermoelektrischen Moduls 1, mit verschiedenen Linien, die den Fluss des Wärmeaustauschs anzeigen.The show a thermoelectric module 1 for the use of residual heat, which is installed on an industrial pipe 3. The exploded view in can be used to facilitate the understanding of the elements that make up the module. To further improve the understanding of the invention, a sectional view of the thermoelectric module 1, with different lines indicating the flow of heat exchange.

Das erwähnte thermoelektrische Modul 1 umfasst Wärmesammelvorrichtungen 2, Energieerzeugungsvorrichtungen 4 und Wärmedissipationsvorrichtungen 5.The mentioned thermoelectric module 1 comprises heat collecting devices 2, energy generating devices 4 and heat dissipating devices 5.

Die Wärmesammelvorrichtung 2 umfasst einen unteren Sammler 21, einen oberen Sammler 22 und eine Befestigungsvorrichtung 23. Der untere Wärmesammler 21 besteht aus einem im Wesentlichen bogenförmigen Stück aus wärmeleitendem Material, sodass seine innere Fläche mit der Oberfläche der Wärmequelle in Kontakt kommt, die sich außerhalb des thermoelektrischen Moduls 1 befindet, in diesem Fall das Rohr 3. Die bogenförmige Form des unteren Sammlers 21 erleichtert die Anpassung an die Form des Rohrs 3. Der obere Wärmesammler 22 besteht aus einem im Wesentlichen pyramidenförmigen Stück in Form eines umgekehrten Kegels, das aus einem wärmeleitenden Material besteht und mit der unteren Basis des unteren Sammlers 21 sowie mit der Wärmedissipationsvorrichtung 5 auf seiner oberen Fläche in Kontakt steht. Die Befestigungsvorrichtung 23 sichert den genannten unteren Sammler 21, und damit das gesamte thermoelektrische Modul 1, fest am Rohr 3, das in diesem Beispiel die externe Wärmequelle ist, die das Modul zur Umwandlung in elektrische Energie nutzt. Die Befestigungsvorrichtung 23 im Beispiel der Zeichnung besteht aus zwei Gurten, die das Rohr 3 umschließen und am unteren Sammler 21 befestigt sind. Es ist vorgesehen, dass die besagten Gurte oder ähnliche Befestigungsmittel 23 Spann- oder Verriegelungsmechanismen mit oder ohne Sicherheitsvorrichtungen wie Schlösser oder Ähnliches aufweisen können.The heat collecting device 2 comprises a lower collector 21, an upper collector 22 and a fixing device 23. The lower collector 21 consists of a substantially arcuate piece made of heat-conducting material so that its inner surface comes into contact with the surface of the heat source located outside the thermoelectric module 1, in this case the tube 3. The arcuate shape of the lower collector 21 facilitates adaptation to the shape of the tube 3. The upper collector 22 consists of a substantially pyramidal piece in the shape of an inverted cone made of heat-conducting material and in contact with the lower base of the lower collector 21 as well as with the heat dissipation device 5 on its upper surface. The fixing device 23 firmly secures said lower collector 21, and thus the entire thermoelectric module 1, to the tube 3, which in this example is the external heat source that the module uses to convert it into electrical energy. The fastening device 23 in the example of the drawing consists of two straps which enclose the pipe 3 and are fastened to the lower collector 21. It is envisaged that the said straps or similar fastening means 23 can have tensioning or locking mechanisms with or without safety devices such as locks or the like.

Die Energieerzeugungsvorrichtung 4, deren Aufgabe es ist, die gewonnene Wärme in elektrische Energie umzuwandeln, umfasst einen thermoelektrischen Generator 41, der zwischen dem oberen Sammler 22 und der Wärmedissipationsvorrichtung 5 angeordnet ist.The energy generation device 4, whose task is to convert the heat obtained into electrical energy, comprises a thermoelectric generator 41 which is arranged between the upper collector 22 and the heat dissipation device 5.

Das Wärmedissipationsvorrichtung 5 umfasst eine Basis 51, die mit dem oberen Kollektor 22 verbunden ist, und einen Kühlkörper 51 mit einer Vielzahl von Lamellen 52, um die maximal mögliche Wärme zu absorbieren, die vom thermoelektrischen Generator 41 kommt, mit dem es über die Basis 51 verbunden ist.The heat dissipation device 5 comprises a base 51 connected to the upper collector 22 and a heat sink 51 with a plurality of fins 52 to absorb the maximum possible heat coming from the thermoelectric generator 41 to which it is connected via the base 51.

Um den thermischen Widerstand durch Kontakt zwischen den Hauptelementen, aus denen dieses thermoelektrische Modul 1 besteht, zu verringern, ist ein Bauteil 25 aus einem wärmeleitenden Material (wie in diesem Fall Zinn und in Form einer Unterlegscheibe) zwischen dem unteren Kollektor 21 und dem oberen Kollektor 22 des Wärmesammelmittels 2 angeordnet, und ein weiteres Bauteil 55, das ebenfalls aus einem wärmeleitenden Material (aus Zinn und in Form einer Unterlegscheibe) besteht, ist zwischen dem Kühlkörper 52 und der Basis 51 des Wärmeableitungsmittels 5 angeordnet.In order to reduce the thermal resistance due to contact between the main elements making up this thermoelectric module 1, a component 25 made of a thermally conductive material (such as tin in this case and in the form of a washer) is arranged between the lower collector 21 and the upper collector 22 of the heat collecting means 2, and another component 55, also made of a thermally conductive material (made of tin and in the form of a washer), is arranged between the heat sink 52 and the base 51 of the heat dissipating means 5.

Der thermoelektrische Generator 41 ist in diesem Fall ein thermoelektrische Zelle 41' vom Typ TEG-Peltierzelle, deren heiße Seite den oberen Kollektor berührt, während ihre kalte Seite die Basis des Ableitungsmittels berührt. 5, wodurch die Wärmeenergie zwischen dem Rohr 3 und dem Dissipator 52 geleitet wird und er daher mit diesem Temperaturunterschied elektrische Energie erzeugen kann.The thermoelectric generator 41 is in this case a thermoelectric cell 41' of the TEG Peltier cell type, whose hot side touches the upper collector while its cold side touches the base of the dissipating means 5, thus conducting the thermal energy between the tube 3 and the dissipator 52 and therefore being able to generate electrical energy with this temperature difference.

Um eine schnellere Abfuhr der überschüssigen Wärme durch natürliche Konvektion zu ermöglichen, ist der Kühlkörper 52 des Wärmeableitungsmittels 5 mit einer Vielzahl vertikaler Lamellen 53 mit Gabelungen versehen, um die Kontaktfläche mit der Umgebung, in diesem Fall der Luft, zu vergrößern. Auf diese Weise wird ein Fluss und Austausch der aufgenommenen Wärme erreicht (siehe ), die vom thermoelektrischen Generator 41 verwendet wird, um über den Temperaturunterschied Elektrizität zu erzeugen, die die Elektronikbox 9 erreicht, die für die Verwaltung der erzeugten elektrischen Energie für verschiedene Verwendungszwecke oder Anwendungen verantwortlich ist.To enable faster dissipation of excess heat through natural convection chen, the heat sink 52 of the heat dissipation means 5 is provided with a plurality of vertical fins 53 with forks in order to increase the contact surface with the environment, in this case the air. In this way, a flow and exchange of the absorbed heat is achieved (see ) used by the thermoelectric generator 41 to generate electricity via the temperature difference that reaches the electronics box 9, which is responsible for managing the generated electrical energy for different uses or applications.

Um den Fluss von einer größeren Oberfläche, der des oberen Kollektors 22, auf eine kleinere, die des Kühlkörpers 52, zu konzentrieren, ist die Basis 51 des Ableitungsmittels 5 durch einen umgekehrten Kegel gebildet. Das heißt, diese Formen leiten die Wärme besser, wodurch verhindert wird, dass der Kollektor an seinen Rändern abkühlt, und dass sich der Kühlkörper und die Elektronikbox durch Konvektion mehr als nötig erhitzen, was zu einer Leistungsminderung oder sogar zu einer Fehlfunktion führen könnte.In order to concentrate the flow from a larger surface, that of the upper collector 22, to a smaller one, that of the heatsink 52, the base 51 of the dissipating means 5 is formed by an inverted cone. That is, these shapes conduct heat better, preventing the collector from cooling at its edges and the heatsink and electronics box from heating up more than necessary by convection, which could lead to a reduction in performance or even a malfunction.

Das thermoelektrische Modul 1 der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Elastomer 90 zwischen dem oberen Kollektor 22 des Sammelmittels 2 und der Basis 51 des Ableitungsmittels und umgibt den thermoelektrischen Generator 41. Die Funktion dieses Elastomers 90 besteht darin, die Zelle 41' vor äußeren Einflüssen abzudichten; es fungiert auch als Isolator, um Wärmebrücken zu verhindern, und schließlich als Strukturkomponente, um die oben genannte Zelle 41' zu platzieren.The thermoelectric module 1 of the present embodiment comprises an elastomer 90 between the upper collector 22 of the collecting means 2 and the base 51 of the dissipating means and surrounds the thermoelectric generator 41. The function of this elastomer 90 is to seal the cell 41' from external influences; it also acts as an insulator to prevent thermal bridges and finally as a structural component to place the above-mentioned cell 41'.

Es ist vorgesehen, dass das thermoelektrische Modul 1 eine Elektronikbox 9 umfasst, in der die Elektronik untergebracht ist, die für die Verwaltung der vom thermoelektrischen Generator 41 kommenden elektrischen Energie verantwortlich ist, und in der Lage ist, Daten von Sensoren zu erfassen und die Daten über drahtlose Langstreckenkommunikation zu senden.It is envisaged that the thermoelectric module 1 comprises an electronics box 9 housing the electronics responsible for managing the electrical energy coming from the thermoelectric generator 41 and capable of collecting data from sensors and sending the data via long-distance wireless communication.

Um die thermische Funktionsweise des oben genannten thermoelektrischen Moduls 1 zu verstehen, wird der Wärmefluss in 4 mit verschiedenen Pfeilen dargestellt, die zum besseren Verständnis für Wärmeströme rot und für Kühlströme blau dargestellt wurden. Somit können folgende Abläufe und Situationen beobachtet werden:

a) das Rohr fungiert als Wärmequelle,
b) diese Wärme wird entlang des unteren Kollektorkontakts aufgenommen und die Wärme wird an das Temperatursammelmedium an dessen Unterseite übertragen,
c) Wärmeflussverteilung,
d) die heiße Seite (Tho) der Peltierzelle wird erwärmt,
e) Wärmeableitung an die Umgebung, mit Wärmeaustausch mit der das thermoelektrische Modul 1 umgebenden Luft,
f) die Konzentration des Wärmeflusses in Richtung der Oberfläche, die mit dem Kühlkörper in Kontakt steht,
g) Wärmeaustauschleitung zwischen dem Rohr mit dem Sammelmedium und dem Ableitungsmedium, die aus der Kühlung der kalten Oberfläche (Tcol) der Peltierzelle resultiert,
h) Kabelweg mit elektrischer Energie. Durch das thermoelektrische Prinzip wird die Temperaturdifferenz in elektrische Energie umgewandelt.
i) Strukturelement zur Befestigung der Elektronikbox.
j) Die Elektronikbox und
k) der Dichtungsring zur Abdichtung und zum Schutz der Wärmedämmung.

To understand the thermal operation of the above mentioned thermoelectric module 1, the heat flow in 4 with different arrows, which are shown in red for heat flows and blue for cooling flows for a better understanding. Thus, the following processes and situations can be observed:

a) the pipe acts as a heat source,
b) this heat is absorbed along the lower collector contact and the heat is transferred to the temperature collection medium at its bottom,
c) heat flow distribution,
d) the hot side (Tho) of the Peltier cell is heated,
e) heat dissipation to the environment, with heat exchange with the air surrounding the thermoelectric module 1,
f) the concentration of heat flow towards the surface in contact with the heat sink,
g) heat exchange line between the tube with the collection medium and the discharge medium resulting from the cooling of the cold surface (Tcol) of the Peltier cell,
h) Cable path with electrical energy. The thermoelectric principle converts the temperature difference into electrical energy.
i) Structural element for fixing the electronics box.
j) The electronics box and
k) the sealing ring for sealing and protecting the thermal insulation.

Mit dem hier beschriebenen Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform wird das Ziel der vorliegenden Erfindung genauer verstanden, ein neues thermoelektrisches Modul bereitzustellen, das sich besser an Industrierohre ankoppeln lässt und ausreichend Energie erzeugt, um beispielsweise andere elektronische Geräte oder Industriesensoren mit Strom zu versorgen, wobei die Restwärme der zu überwachenden Maschine oder des zu überwachenden Prozesses genutzt wird. Die Konfiguration der Elemente, aus denen es besteht, ihre hier beschriebenen Formen und Eigenschaften ermöglichen einen optimaleren Wärmeaustausch als frühere Versionen des Anmelders, wodurch die Leistung des Ganzen erhöht wird.With the example of a preferred embodiment described here, the aim of the present invention is more clearly understood, namely to provide a new thermoelectric module that can be better coupled to industrial pipes and generates sufficient energy to power, for example, other electronic devices or industrial sensors, taking advantage of the residual heat of the machine or process to be monitored. The configuration of the elements that compose it, their shapes and characteristics described here allow a more optimal heat exchange than previous versions of the applicant, thus increasing the performance of the whole.

Claims

Thermoelectric module (1) for the use of waste heat, particularly suitable for installation on industrial pipes (3), comprising at least heat collection means (2), energy generation means (4) and heat dissipation means (5), characterized in that • the heat collection means (2) comprise at least a lower heat collector (21) consisting essentially of an arcuate piece of heat-conducting material adapted to be in contact on its inner surface with the surface of an external heat source, an upper heat collector (22) consisting essentially of an inverted truncated cone piece of heat-conducting material adapted to be in contact on its lower base with the lower collector and on its upper surface with the heat dissipation means and a fastening element (23) adapted to firmly attach the lower header to the tube (3) of the heat source; • the energy generation means (4) adapted to convert heat into electrical energy comprise at least one thermoelectric generator (41) arranged between the upper header (22) and the heat dissipation means (5); and • the heat dissipation means (5) comprise a base (51) coupled to the upper header (22) and a heat sink (51) having a plurality of fins (52) to absorb the maximum possible heat coming from the thermoelectric generator (41) via the base (51).

Thermoelectric module (1) according to the preceding claim, characterized in that it comprises, between the lower collector (21) and the upper collector (22), a component (25) made of a thermal material specifically adapted to reduce the thermal resistance by contact between the two.

Thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises, between the heat sink (52) and the base (51), a component (55) made of a thermal material which is specifically adapted to reduce the thermal resistance by contact between the two.

Thermoelectric module (1) according to one of the Claims 2 or 3 , characterized in that the component (25 and/or 55) is made of a material consisting essentially of tin.

Thermoelectric module (1) according to the preceding claim, characterized in that the component (25 and/or 55) has substantially the shape of a flat washer.

Thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the thermoelectric generator (41) comprises at least one thermoelectric cell (41') whose hot side is in contact with the upper collector and whose cold side is in contact with the base of the dissipation means, thereby conducting the thermal energy between the hot tube and the thermoelectric generator.

Thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the heat sink (52) is provided with a plurality of vertical fins (53) with branches in order to increase the contact area with the environment and to enable a faster dissipation of excess heat by natural convection.

Thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the base (51) of the dissipation means (5) consists of an inverted cone adapted to concentrate the flow from a larger surface, that of the upper collector (22), to a smaller one, the heat sink (52).

Thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an elastomer (90) between the upper collector (22) of the collecting means (2) and the base (51) of the dissipating means (5) surrounding the thermoelectric generator (41).

Thermoelectric module (1) according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises an electronics box (9) capable of housing the electronics responsible for managing the electrical energy coming from the thermoelectric generator (41), collecting data from sensors and transmitting the data via long-range wireless communication.