AT508401A1 - THERMOELECTRIC GENERATOR UNIT - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine thermoelektrische Generatoreinheit, mit zumindest einem thermoelektrischen Modul, welches in einer sandwichartigen Anordnung an einer Seite einen Abgaswärmetauscher und an der gegenüberliegenden Seite einen Kühlmittelwärmetauscher aufweist, wobei der Abgas- und der Kühlmittelwärmetauscher als Flachrohre ausgeführt sind, deren Flachseiten über seitliche Wandabschnitte verbunden sind.The invention relates to a thermoelectric generator unit comprising at least one thermoelectric module having in a sandwich-like arrangement on one side an exhaust gas heat exchanger and on the opposite side a coolant heat exchanger, wherein the exhaust and the coolant heat exchanger are designed as flat tubes whose flat sides connected via lateral wall sections are.
Thermoelektrische Generatoren (TEG) zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Ausnützung einer Temperaturdifferenz, beispielweise im Zusammenhang mit Kraftfahrzeugen, bei welchen die Abgaswärme einer Brennkraftmaschine ausgenützt wird, sind bereits seit längerer Zeit bekannt. Das thermoelektrische Modul derartiger Generatoreinheiten besteht aus einer Reihe von p- und n-do-tierten Schenkeln, die an deren Enden mit elektrischen Kontakten versehen sind. Dabei wird der Seebeck-Effekt ausgenützt, bei welchem die Temperaturdifferenz zwischen zwei Enden (einem Hochtemperaturabschnitt und einem Niedrigtemperaturabschnitt) eines Metalls oder eines Halbleiterteils eine Potentialdifferenz hervorruft.Thermoelectric generators (TEG) for generating electrical energy by utilizing a temperature difference, for example in connection with motor vehicles, in which the exhaust heat of an internal combustion engine is utilized, have been known for some time. The thermoelectric module of such generator units consists of a series of p- and n-doped legs, which are provided at the ends with electrical contacts. In this case, the Seebeck effect is utilized in which the temperature difference between two ends (a high-temperature section and a low-temperature section) of a metal or a semiconductor part causes a potential difference.
Beispielsweise ist aus der DE 10 2005 005 077 Al ein thermoelektrischer Generator für eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, der an einen Abgaskanal angeschlossen ist. Der Generator weist ein heißes Teil auf, welches an dem Abgaskanal angeordnet ist und ein kaltes Teil (Kühlmittelwärmetauscher), welches mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Die einzelnen Teile des thermoelektrischen Generators sind konzentrisch um den Abgaskanal angeordnet, und werden durch einzelne außen umlaufende, kreisförmige Halteteile an die Oberfläche des Abgaskanals angepresst, wobei zwischen den Kühlmittelwärmetauscherelementen und den kreisförmigen Halteteilen elastische Elemente angeordnet sind, um die thermoelektrischen Generatorelemente in einem Zustand zu halten, in welchem sie zwischen den heißen Teilen und den kalten Teilen des Generators derart eingepresst sind, dass eine durch unterschiedliche thermische Ausdehnung der einzelnen Komponenten hervorgerufene Relativbewegung ermöglicht wird. Das Problem besteht also darin, eine Abfolge bestehend aus Abgaswärmetauscher, thermoelektrischem Modul und Kühlmittelwärmetauscher möglichst gleichmäßig zusammenzupressen, so dass ein guter thermischer Kontakt gewährleistet ist, wobei allerdings Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der einzelnen Bestandteile ausgeglichen werden müssen, um Beschädigungen zu vermeiden.For example, from DE 10 2005 005 077 Al a thermoelectric generator for an internal combustion engine has become known, which is connected to an exhaust gas passage. The generator has a hot part, which is arranged on the exhaust gas passage and a cold part (coolant heat exchanger), which communicates with the cooling circuit of the internal combustion engine. The individual parts of the thermoelectric generator are arranged concentrically around the exhaust passage, and are pressed by individual outer circumferential, circular holding parts to the surface of the exhaust passage, wherein between the coolant heat exchange elements and the circular holding members are arranged elastic elements to the thermoelectric generator elements in one state hold, in which they are so pressed between the hot parts and the cold parts of the generator that a caused by different thermal expansion of the individual components relative movement is made possible. The problem is therefore to compress a sequence consisting of exhaust gas heat exchanger, thermoelectric module and coolant heat exchanger as evenly as possible, so that a good thermal contact is ensured, although stresses due to different thermal expansion of the individual components must be compensated to avoid damage.
Aus der DE 10 2005 051 309 Al ist in diesem Zusammenhang ein thermoelektrischer Generator bekannt geworden, der einen flächigen Abgaswärmetauscher aufweist, wobei zumindest zwei thermoelektrische Elemente vorgesehen sind und der Abgaswärmetauscher sandwichartig zwischen den beiden thermoelektrischen Elementen angeordnet ist. Die Baueinheit wird außen durch zwei Kühlmittelwärmetauscher abgeschlossen, wobei die Baugruppe aus Abgaswärmetauscher und thermoelektrischen Elementen sandwichartig zwischen den beiden Kühlmittelwärmetauschern angeordnet ist. Die Kühlmittelwärmetauscher weisen nach außen zeigende zungenförmige Befestigungslaschen auf, die mit Durchgangsöffnungen versehen sind. Zusätzlich ist noch eine zentrale Bohrung durch alle Bauelemente der Generatoreinheit vorgesehen, wobei zur Flächenpressung und Fixierung der einzelnen Elemente sowohl in den Durchgangsöffnungen, als auch in der zentralen Bohrung Schrauben mit Kontermuttern vorgesehen sind. Anstelle der Schraubverbindung können auch Federklammern verwendet werden.From DE 10 2005 051 309 Al, a thermoelectric generator has become known in this context, which has a flat exhaust gas heat exchanger, wherein at least two thermoelectric elements are provided and the exhaust gas heat exchanger is sandwiched between the two thermoelectric elements. The assembly is terminated externally by two coolant heat exchangers, with the assembly of exhaust gas heat exchanger and thermoelectric elements sandwiched between the two coolant heat exchangers. The coolant heat exchangers have outwardly pointing tongue-shaped fastening straps, which are provided with passage openings. In addition, a central bore is still provided by all the components of the generator unit, wherein screws are provided with lock nuts for surface pressing and fixing of the individual elements both in the through holes, as well as in the central bore. Instead of the screw spring clips can be used.
Des weiteren ist auch aus der US 2006/0157102 Al ein System zur Nutzung der Abfallwärme, beispielsweise aus einer Brennkraftmaschine bekannt, welche in einem flachen Aufbau einen zentralen Hochtemperatur-Wärmetauscher mit einer innen liegenden Lamellenstruktur aufweist, wobei an beiden Seiten thermoelektrische Module angelagert sind. Die Außenseite beider thermoelektrischer Module wird jeweils von einem Niedertemperatur-Wärmetauscher thermisch kontaktiert, wobei auch der Niedertemperatur-Wärmetauscher eine innen liegende Lamellenstruktur aufweist. Das heiße Abgas im Hochtemperatur-Wärmetauscher und das Kühlmedium im Niedertemperatur-Wärmetauscher werden parallel jedoch in entgegengesetzten Richtungen durch die thermoelektrische Generatoreinheit geführt.Furthermore, US 2006/0157102 A1 also discloses a system for utilizing the waste heat, for example from an internal combustion engine, which in a flat construction has a central high-temperature heat exchanger with an internal lamellar structure, with thermoelectric modules being attached to both sides. The outside of both thermoelectric modules is thermally contacted by a low-temperature heat exchanger, wherein the low-temperature heat exchanger has an internal lamellar structure. However, the hot exhaust gas in the high-temperature heat exchanger and the cooling medium in the low-temperature heat exchanger are routed in parallel in opposite directions through the thermoelectric generator unit.
Schließlich ist aus der JP 2007-221895 gemäß Fig. 1 eine thermoelektrische Generatoreinheit mit thermoelektrischen Modulen bekannt, welche mit einer Seite einen Abgaswärmetauscher (high temperature heat exchanger) und mit der gegenüberliegenden Seite einen Kühlmittelwärmetauscher (low temperature heat exchanger) kontaktieren. Der Kühlmittelwärmetauscher und der Abgaswärmetauscher sind als Flachkanäle ausgeführt, wobei die einzelnen Komponenten in ebener Anordnung stapelbar und somit in platzsparender, Ausführung herstellbar sind.Finally, from JP 2007-221895 according to FIG. 1, a thermoelectric generator unit with thermoelectric modules is known which contact on one side an exhaust gas heat exchanger (high temperature heat exchanger) and on the opposite side a coolant heat exchanger (low temperature heat exchanger). The coolant heat exchanger and the exhaust gas heat exchanger are designed as flat channels, wherein the individual components in a planar arrangement stackable and thus in space-saving, execution can be produced.
Die gesamte Anordnung wird durch mehrere zweiteilige Klammerelemente zusammengehalten, wobei zum Schutz vor Korrosion ein hitzebeständiger, wasserdichter Rahmen für die TEG-Module vorgesehen ist, der in gegenüberliegende Nuten der Abgas- und Kühlmittelwärmetauscher eingesetzt ist. Weiters sind zwischen den Klammerelementen und den außen liegenden Wärmetauschern Feder-The entire assembly is held together by a plurality of two-piece clamp members, with a heat-resistant, watertight frame being provided for the TEG modules to protect against corrosion, which is inserted into opposing grooves of the exhaust and coolant heat exchangers. Furthermore, between the clamp elements and the external heat exchangers spring
elemente in Form von Tellerfedern angeordnet, mit welchen der Anpressdruck justiert werden kann.arranged elements in the form of disc springs, with which the contact pressure can be adjusted.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von den eingangs beschriebenen Vorrichtungen zur Energieerzeugung eine thermoelektrische Generatoreinheit vorzuschlagen, welche konstruktiv möglichst einfach aufgebaut ist, wobei mit einfachen Mitteln eine gleichmäßige, dauerhafte Verpressung der einzelnen Strukturelemente der Generatoreinheit erzielt werden soll.The object of the invention is to propose, starting from the devices described above for generating energy, a thermoelectric generator unit, which is structurally as simple as possible, with simple means a uniform, permanent compression of the individual structural elements of the generator unit to be achieved.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass an den seitlichen Wandabschnitten zumindest der beiden außen liegenden Wärmetauscher Seitenwände befestigt sind, die die Spannkräfte für eine gleichmäßige, dauerhafte Verpressung der einzelnen Elemente der thermoelektrischen Generatoreinheit aufnehmen.According to the invention, this object is achieved in that sidewalls are attached to the lateral wall sections of at least the two outer heat exchangers, which receive the clamping forces for a uniform, permanent compression of the individual elements of the thermoelectric generator unit.
Erfindungsgemäß kann das thermoelektrische Modul mittels der die Spannkräfte aufnehmenden Seitenwände seitlich abgedichtet sein, sodass diese gleichzeitig eine Spann- und eine Dichtfunktion erfüllen. Zusammen mit front- und rückseitigen Stirnwänden der Generatoreinheit bilden die Seitenwände einen geschlossenen Innenraum, in welchem das thermoelektrische Modul geschützt angeordnet ist.According to the invention, the thermoelectric module can be laterally sealed by means of the clamping forces receiving side walls, so that they simultaneously fulfill a clamping and a sealing function. Together with the front and rear end walls of the generator unit, the side walls form a closed interior, in which the thermoelectric module is arranged protected.
Um temperaturabhängige Spannungen, insbesondere beim Hochfahren oder Abschalten der thermoelektrische Generatoreinheit, ausgleichen zu können, ist es wichtig, die Spannkräfte elastisch abzufedern.To be able to compensate for temperature-dependent voltages, in particular when starting up or shutting down the thermoelectric generator unit, it is important to elastically cushion the clamping forces.
Gemäß einer ersten Variante der Erfindung ist daher an zumindest einer Kontaktfläche zwischen dem thermoelektrischen Modul und dem Abgaswärmetauscher oder dem Kühlmittelwärmetauscher zumindest ein Federelement, beispielsweise ein Wellfederelement oder ein Blattfederelement, angeordnet.According to a first variant of the invention, therefore, is on at least one contact surface between the thermoelectric module and the exhaust gas heat exchanger or the coolant heat exchanger comprises at least one spring element, for example a corrugated spring element or a leaf spring element is disposed.
Gemäß einer zweiten Variante der Erfindung kann zumindest eine der dem thermoelektrischen Modul zugewandten Flachseiten des Abgaswärmetauschers oder des Kühlmittelwärmetauschers in Richtung des thermoelektrischen Moduls elastisch vorgespannt sein. Beispielsweise kann die elastisch vorgespannte Seite im unverbauten Zustand eine näherungsweise zylindrische Auswölbung in Richtung des thermoelektrischen Moduls aufweisen, deren Kontur im verbauten Zustand flach gepresst ist und auf diese Weise die TEG-Elemente gleichmäßig anpresst.According to a second variant of the invention, at least one of the thermoelectric module facing flat sides of the exhaust gas heat exchanger or the coolant heat exchanger may be resiliently biased in the direction of the thermoelectric module. For example, the elastically biased side in the unassembled state have an approximately cylindrical bulge in the direction of the thermoelectric module, the contour of which is pressed flat in the installed state and in this way uniformly presses the TEG elements.
Die im unverbauten Zustand erforderliche Kontur der näherungsweise zylindrischen (prismatischen) Wand kann entsprechend der Biegebalkentheorie für konstante Streckenlast und mäßiger Verdrehsteifigkeit an den Auflagepunkten ermittelt werden. Ergänzend kann die unverspannte Kontur mittels Finite ElementThe required in the uninstalled state contour of the approximately cylindrical (prismatic) wall can be determined according to the bending beam theory for constant line load and moderate torsional rigidity at the support points. In addition, the unstrained contour can be achieved with a finite element
Analyse des TEG-Moduls hinsichtlich gleichmäßiger Anpressung aller TEG-Schen-kel optimiert werden.Analysis of the TEG module with regard to uniform contact pressure of all TEG-Schen-kel be optimized.
Schließlich können in einer dritten Variante der Erfindung die Seitenwände der thermoelektrischen Generatoreinheit als Zugfedern ausgebildet sein. Es ist auch möglich, mehrere der aufgezählten Varianten zur flexiblen Pressung gleichzeitig einzusetzen.Finally, in a third variant of the invention, the side walls of the thermoelectric generator unit can be designed as tension springs. It is also possible to use several of the enumerated variants for flexible pressing simultaneously.
Gemäß vorliegender Erfindung können die Seitenwände der Generatoreinheit auf unterschiedliche Art kraftschlüssig und dichtend an den seitlichen Wandabschnitten der Wärmetauscher befestigt werden, nämlich durch Schweißen, Kleben, oder Löten, durch eine Niet- oder Schraubverbindung bzw. durch eine Rastoder Schnappverbindung.According to the present invention, the side walls of the generator unit can be fastened in different ways non-positively and sealingly on the lateral wall sections of the heat exchanger, namely by welding, gluing, or soldering, by a rivet or screw connection or by a snap or snap connection.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to drawings.
Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße thermoelektrische Generatoreinheit in einer Schnittdarstellung in unverbautem Zustand, Fig. 2 die Generatoreinheit gemäß Fig. 1 in verbautem Zustand, die Fig. 3 und 4 eine Variante der erfindungsgemäßen Generatoreinheit gemäß Fig. 1 und 2 in unverbautem und verbautem Zustand, die Fig. 5 bis 7 weitere Varianten der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit in unverbautem Zustand in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 1, Fig. 8 eine Variante der erfindungsgemäßen Generatoreinheit in verbautem Zustand in einer Schnittdarstellung gemäß Fig. 2, Fig. 9 eine dreidimensionale Teilansicht einer erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generatoreinheit, Fig. 10 eine Explosionsdarstellung der Generatoreinheit gemäß in Fig. 9, Fig. 11 eine erfindungsgemäße thermoelektrische Generatoreinheit in einer Schnittdarstellung bestehend aus einem Abgaswärmetauscher und zwei Kühlmittelwärmetauschern in unverbautem Zustand, sowie Fig. 12 die Generatoreinheit gemäß Fig. 11 in verbautem Zustand.1 shows a thermoelectric generator unit according to the invention in a sectional view in the uninstalled state, FIG. 2 shows the generator unit according to FIG. 1 in the installed state, FIGS. 3 and 4 show a variant of the generator unit according to the invention according to FIGS. 1 and 2 in unconnected and 5 to 7 further variants of the thermoelectric generator unit according to the invention in the uninstalled state in a sectional view of FIG. 1, Fig. 8 shows a variant of the generator unit according to the invention in the installed state in a sectional view of FIG. 2, Fig. 9 is a three-dimensional 10 shows an exploded view of the generator unit according to FIG. 9, FIG. 11 shows a thermoelectric generator unit according to the invention in a sectional illustration consisting of an exhaust gas heat exchanger and two coolant heat exchangers in the uninstalled state, and FIG. 1 2 the generator unit according to FIG. 11 in the installed state.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte thermoelektrische Generatoreinheit 1 weist ein thermoelektrisches Modul 2 auf, welches mit einer Seite einen Flachrohr-Ab-gaswärmetauscher 3 und mit der anderen Seite einen Flachrohr-Kühlmittelwärmetauscher 4 thermisch kontaktiert.The thermoelectric generator unit 1 shown in FIGS. 1 and 2 has a thermoelectric module 2, which thermally contacted on one side a flat-tube off-gas heat exchanger 3 and the other side of a flat-tube coolant heat exchanger 4.
Das thermoelektrische Modul 2 besteht in bekannter Weise aus n- und p-dotier-ten Schenkeln 5, 6 (N- und P-Legs), die an den Enden mit elektrischen Kontakten 7, 8 versehen sind und zusammengeschaltete Peltierelemente ergeben, deren nach außen führende Anschlussleitungen hier nicht dargestellt sind.The thermoelectric module 2 is composed in known manner of n- and p-doping th legs 5, 6 (N- and P-Legs) which are provided at the ends with electrical contacts 7, 8 and interconnected Peltier elements result, the outwardly leading connecting cables are not shown here.
Der Abgaswärmetauscher 3 weist gegenüberliegende Flachseiten 9 auf, die über seitliche Wandabschnitte 10, die gekrümmt bzw. abgerundet ausgeführt sein können, verbunden sind. Im Bereich der gegenüberliegenden Flachseiten 9 sind Lamellen 11, vorzugsweise ein einstückiger Lamellenzug, angeordnet, welche zu den Flachseiten 9 im Wesentlichen rechtwinkelig angeordnet sind und der Maximierung des gasseitigen Wärmeübergangs dienen, wobei gleichzeitig eine Versteifung des Flachrohrs 3 erzielt wird.The exhaust gas heat exchanger 3 has opposite flat sides 9, which are connected via lateral wall sections 10, which may be curved or rounded. In the region of the opposite flat sides 9, lamellae 11, preferably a one-piece lamellae train, are arranged, which are arranged substantially perpendicular to the flat sides 9 and serve to maximize the gas-side heat transfer, wherein a stiffening of the flat tube 3 is achieved at the same time.
Der Kühlmittelwärmetauscher 4 weist gegenüberliegende Flachseiten 13 auf, die über beispielsweise abgerundete, seitliche Wandabschnitte 20 verbunden sind, wobei die dem thermoelektrischen Modul 2 zugewandte Wand im verbauten Zustand elastisch vorgespannt ist. Gemäß Fig. 1 weist die dem thermoelektrischen Modul 2 zugewandte Wand 13 des Flachkanals 4 im unverbauten Zustand eine näherungsweise zylinderartige (prismatische) Auswölbung 14 auf, deren Kontur im verbauten Zustand (siehe Fig. 2) flach gepresst ist. Die Kontur der Auswölbung 14 ist derart optimiert, dass im zusammengebauten Zustand eine gleichmäßige Verpressung der N- und P-Legs 5, 6 erreicht werden kann.The coolant heat exchanger 4 has opposite flat sides 13, which are connected via, for example, rounded, lateral wall sections 20, the wall facing the thermoelectric module 2 being elastically pretensioned in the installed state. According to Fig. 1 13, the the thermoelectric module 2 facing wall of the flat channel 4 in disassembled condition, an approximately cylinder-like (prismatic) bulge 14, the contour of which in the installed condition (see Fig. 2) is pressed flat. The contour of the bulge 14 is optimized such that in the assembled state, a uniform compression of the N and P legs 5, 6 can be achieved.
Bei der Herstellung wird die Gesamtstruktur gemäß Fig. 1, mit bereits angeschweißten Seitenwänden 15 (siehe Schweißnaht 21 im Wandabschnitt 10) in einer geeigneten Vorrichtung zusammengepresst, bis die Endbereiche der Seitenwände 15 an den Wandabschnitten 10 des Kühlmittelwärmetauschers 3 reichen und eine Rastverbindung 28 einschnappt, die aus einem Steg 29 an den Seitenwänden 15 und einer im Wandabschnitt 20 befestigten Nutleiste 30 besteht. Die Schnappverbindung 28 kann beispielsweise mittels Dichtmasse oder Klebstoff abgedichtet sein.1, with already welded-on side walls 15 (see weld 21 in the wall section 10) in a suitable device, until the end regions of the side walls 15 on the wall sections 10 of the coolant heat exchanger 3 reach and snaps in a latching connection 28, which consists of a web 29 on the side walls 15 and a fixed in the wall portion 20 groove strip 30. The snap connection 28 may be sealed, for example by means of sealing compound or adhesive.
Zur Reibwertminderung und Verbesserung der thermischen Kontaktierung zwischen dem Abgaswärmetauscher 3 und dem thermoelektrischen Modul 2 ist eine Gleitschicht 16, beispielsweise eine Karbonfolie oder eine MoS2-Beschichtung vorgesehen. Weiters ist zur Verbesserung der thermischen Kontaktierung zwischen dem thermoelektrischen Modul 2 und dem Kühlmittelwärmetauscher 4 eine Kontaktschicht 17, beispielsweise eine Diamond-Like-Carbon (DLC)-Schicht angeordnet.To reduce the coefficient of friction and to improve the thermal contact between the exhaust gas heat exchanger 3 and the thermoelectric module 2, a sliding layer 16, for example a carbon foil or a MoS 2 coating, is provided. Furthermore, to improve the thermal contact between the thermoelectric module 2 and the coolant heat exchanger 4, a contact layer 17, for example, a diamond-like-carbon (DLC) layer is arranged.
In den Fig. 3 und 4 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei welcher die Seitenwände 15 der thermoelektrischen Generatoreinheit 1 als Zugfedern 27 ausgebildet sind. Bei der Herstellung wird die Gesamtstruktur gemäß Fig. 3, mit bereits angeschweißten Seitenwänden 15 (siehe Schweißnaht 21 im Wandabschnitt 20) in einer geeigneten Vorrichtung zusammengepresst, bis die Endbereiche der Seitenwände 15 an den Wandabschnitten 10 des Abgaswärmetauschers 3 anliegen. Danach wird der Kraftschluss mit einer Schweißnaht 21 am Wandabschnitt 10 hergestellt (siehe Fig. 4), so dass der Flachrohr-Kühlmittel Wärmetauscher 4 im verbauten Zustand über vorzugsweise dicht verschweißte Seiten- • · • · · · ··· ·· · · · • · · · · ·· · ··· · _ ·········· _ 6 - ****** ** ** ···· wände 15 mit dem Flachrohr-Abgaswärmetauscher 3 verbunden ist. Beide Wärmetauscher 3, 4 sind biegesteif ausgeführt und nehmen einen Lamellenzug 11 auf.FIGS. 3 and 4 show a variant in which the side walls 15 of the thermoelectric generator unit 1 are designed as tension springs 27. During production, the overall structure according to FIG. 3, with welded-on side walls 15 (see weld 21 in the wall section 20), is compressed in a suitable device until the end regions of the side walls 15 bear against the wall sections 10 of the exhaust gas heat exchanger 3. Thereafter, the frictional connection with a weld 21 on the wall portion 10 is produced (see Fig. 4), so that the flat-tube coolant heat exchanger 4 in the installed state via preferably tightly welded side • • • • · ··········· 15 is connected to the flat tube exhaust gas heat exchanger 3 , Both heat exchangers 3, 4 are rigid and take a slat train 11.
Bei den Ausführungsvarianten gemäß Fig. 5, 6 und 7 ist jeweils nur der unverbaute Zustand dargestellt, um die einzelnen Federelemente im nicht belasteten Zustand besser darstellen zu können. Die jeweils am seitlichen Wandabschnitt 20 des Kühlmittelwärmetauschers 4 angeschweißten Seitenwände 15 müssen nach dem Zusammenpressen der Generatoreinheit 1 noch an den seitlichen Wandabschnitten 10 des Abgaswärmetauschers 3 befestigt, z.B. angeschweißt, werden.In the embodiment variants according to FIGS. 5, 6 and 7, only the unobstructed state is shown in each case in order to better represent the individual spring elements in the unloaded state. The side walls 15 welded to the lateral wall section 20 of the coolant heat exchanger 4 must still be fastened to the lateral wall sections 10 of the exhaust gas heat exchanger 3 after compression of the generator unit 1, e.g. welded.
In den Varianten gemäß Fig. 5 bzw. Fig. 6 ist an einer Kontaktfläche zwischen dem thermoelektrischen Modul 2 und dem Kühlmittelwärmetauscher 4 ein Federelement, beispielsweise ein flächiges Wellfederelement 33 (Fig. 5) oder ein flächiges Blattfederelement 34 (Fig. 6), angeordnet. Zur besseren Wärmeübertragung kann in den verbleibenden, nach der Pressung vom Federelement 33, 34 aufgespannten Freiräumen 35 ein elastisches, wärmeleitendes Material, vorzugsweise eine Wärmeleitpasta, eingebracht sein.In the variants according to FIG. 5 or FIG. 6, a spring element, for example a planar corrugated spring element 33 (FIG. 5) or a flat leaf spring element 34 (FIG. 6), is arranged on a contact surface between the thermoelectric module 2 and the coolant heat exchanger 4 , For better heat transfer, an elastic, heat-conducting material, preferably a heat-conducting paste, can be introduced into the remaining free spaces 35 which are spanned by the spring element 33, 34 after the pressing.
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 7 sind zwei unterschiedliche Federelemente gleichzeitig im Einsatz. Einerseits weist der Kühlmittelwärmetauscher 4 eine federnde Auswölbung 14 auf, andererseits zusätzlich ein Blattfederelement 34 zwischen dem Kühlmittelwärmetauscher 4 und dem thermoelektrischen Modul 2.In the embodiment according to FIG. 7, two different spring elements are used simultaneously. On the one hand, the coolant heat exchanger 4 has a resilient bulge 14, on the other hand additionally a leaf spring element 34 between the coolant heat exchanger 4 and the thermoelectric module 2.
Bei der Ausführungsvariante gemäß Fig. 8 ist nur der verbaute Zustand dargestellt, bei welchem die näherungsweise zylinderartige (prismatische) Auswölbung des Flachrohr-Kühlmittelwärmetauschers 4 (siehe Fig. 1) bereits flach gepresst ist, sodass parallele Flachseiten 13 vorliegen. Die Seitenwände 15 sind hier durch eine Schraubverbindung 36 mit den seitlichen Wandabschnitten 20 des Kühlmittelwärmetauschers 4 verbunden und am Abgaswärmetauscher 3 angeschweißt. Natürlich können die Schraubverbindungen 36 auch auf der Seite des Abgaswärmetauschers 3 angeordnet sein.In the embodiment according to FIG. 8, only the installed state is shown in which the approximately cylindrical (prismatic) bulge of the flat tube coolant heat exchanger 4 (see FIG. 1) is already pressed flat, so that parallel flat sides 13 are present. The side walls 15 are connected here by a screw 36 with the side wall portions 20 of the coolant heat exchanger 4 and welded to the exhaust gas heat exchanger 3. Of course, the screw 36 may also be arranged on the side of the exhaust gas heat exchanger 3.
Bei der in den Fig. 9 und 10 dargestellten Ausführungsvariante der (auf der linken Seite abgeschnittenen) thermoelektrischen Generatoreinheit 1 ist auf beiden Seiten des Flachrohr-Kühlmittelwärmetauschers 4 jeweils ein thermoelektrisches Modul 2 angeordnet, das jeweils einen Abgaswärmetauscher 3 thermisch kontaktiert. Die Seitenwände 15 mit den elektrischen Durchführungen 31 decken beide thermoelektrische Module 2 ab. Durch die mit dem Abgaswärmetauscher 3 und dem Kühlmittelwärmetauscher 4 dicht verbundenen Seitenwände 15 und die • ·· · · · · · · · · • · · · ··· ·· · · · • · · · · ··· · • ·· · · ·· · ·· - 7 - .............. front- und rückseitigen Stirnwände 18 des Generators (siehe Fig. 10) wird ein geschlossener Innenraum 19 gebildet, der das bzw. die thermoelektrischen Mo-dule 2 schützend aufnimmt. Der Kühlwassereinlass samt Verteilerkanal ist mit 22 gekennzeichnet, der gegenüberliegende Kühlwasserauslass ist nicht dargestellt.In the embodiment of the thermoelectric generator unit 1 (cut off on the left side) shown in FIGS. 9 and 10, a thermoelectric module 2 is arranged on both sides of the flat tube coolant heat exchanger 4, each of which thermally contacts an exhaust gas heat exchanger 3. The side walls 15 with the electrical feedthroughs 31 cover both thermoelectric modules 2. By the side walls 15 which are tightly connected to the exhaust gas heat exchanger 3 and the coolant heat exchanger 4, and the side walls 15 which are tightly connected to the exhaust gas heat exchanger 3 and to the heat exchanger 4,... At the front and rear end walls 18 of the generator (see FIG. 10), a closed interior 19 is formed, which supports the or protects the thermoelectric module 2 in a protective manner. The cooling water inlet including distribution channel is marked 22, the opposite cooling water outlet is not shown.
In einem Anschlussflansch 32 sind die Gaseintrittsöffnungen 25 für die beiden Abgaswärmetauscher 3 erkennbar.In a connecting flange 32, the gas inlet openings 25 for the two exhaust gas heat exchanger 3 can be seen.
Schließlich ist in den Fig. 11 und 12 eine Ausführungsvariante dargestellt, bei welcher die Seitenwände 15 einen Formschluss zwischen den seitlichen Wandabschnitten 20 zweier Kühlmittelwärmetauscher 4 bilden, die - unter Zwischenlage jeweils eines thermoelektrischen Moduls 2 - beiderseits eines Abgaswärmetauschers 3 angeordnet sind. Die seitlichen Wandabschnitte 10 des Abgaswärmetauschers 3 sind zu den Seitenwänden 15 thermisch entkoppelt, wodurch die Wärmeleitungsverluste über die Seitenwände 15 minimiert werden.Finally, FIGS. 11 and 12 show a variant embodiment in which the side walls 15 form a positive connection between the lateral wall sections 20 of two coolant heat exchangers 4, which are arranged on both sides of an exhaust gas heat exchanger 3 with the interposition of a respective thermoelectric module 2. The lateral wall sections 10 of the exhaust gas heat exchanger 3 are thermally decoupled from the side walls 15, whereby the heat conduction losses over the side walls 15 are minimized.
Durch die gekapselten Ausführungsvarianten können Korrosionsschäden an der thermoelektrischen Generatoreinheit 1 weitgehend vermieden werden, wobei der geschlossene Innenraum 19 zur Minimierung der konvektiven Wärmeleitung mit einem Hochtemperaturschaum, beispielsweise mit einem Keramikschaum, ausgeschäumt werden kann. Es entsteht dadurch eine kompakte Generatoreinheit 1 mit allseits glatten, ebenen Oberflächen.Due to the encapsulated design variants corrosion damage to the thermoelectric generator unit 1 can be largely avoided, the closed interior 19 to minimize the convective heat conduction with a high-temperature foam, for example with a ceramic foam, can be foamed. This results in a compact generator unit 1 with smooth, even surfaces on all sides.
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2009
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