AT508500B1 - Vorrichtung zur gewinnung elektrischer energie in einem motorbetriebenen fahrzeug - Google Patents

Description

österreichisches Patentamt AT508 500B1 2012-01-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie in einem motorbetriebenen Fahrzeug, mit einer thermoelektrischen Generatoreinheit, die zumindest ein thermoelektrisches Modul aufweist, welches mit einer Seite eine Wärmequelle und mit der anderen Seite einen Kühlmittelkreislauf thermisch kontaktiert.

[0002] Thermoelektrische Generatoren (TEG) zur Erzeugung von elektrischer Energie unter Ausnützung einer Temperaturdifferenz, bei welchen beispielsweise die Abgaswärme einer Brennkraftmaschine ausgenutzt wird, sind bereits seit längerer Zeit bekannt. Das thermoelektrische Modul derartiger Generatoreinheiten besteht aus einer Reihe von p- und n- dotierten 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 Metall- oder Halbleiterteils eine Potentialdifferenz hervorruft.

[0003] Beispielsweise ist aus der DE 10 2005 005 077 A1 ein thermoelektrischer Generator für eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, der an einen Abgaskanal angeschlossen ist. Der Generator weist eine heiße Seite auf, welche dem Abgaskanal zugeordnet ist und eine kühle Seite (Kühlmittelwärmetauscher), welche mit dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine in Verbindung steht. Nachteilig ist die Tatsache, dass dem Fahrzeugkühler über die thermoelektrische Generatoreinheit eine relativ große Wärmelast zugeführt wird, was dazu führt, dass der Fahrzeugkühler größer dimensioniert werden muss, um die zusätzliche Wärmelast abzuführen. Da das Kühlmittel der Brennkraftmaschine im Betrieb typischerweise eine Temperatur von 90°C - 110°C aufweist, sind das nutzbare Enthalpiegefälle für die TEG Einheit und der Carnotsche Wirkungsgrad nachteiligerweise vermindert.

[0004] Weiters ist aus der DE 10 2006 057 662 A1 ein Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator bekannt geworden, bei welchem als Wärmequelle ein vom Abgas durchströmter Wärmetauscher verwendet wird und die Kühlelemente des thermoelektrischen Generators von kühlender Luft um- bzw. durchströmt werden. Die Wärmetauscherelemente und die Kühlelemente des thermoelektrischen Generators sind durch Flachrohre gebildet, die abwechselnd stapelartig übereinander angeordnet sind, wobei die die Kühlelemente bildenden Rohre im Wesentlichen quer zu den die Heizelemente bildenden Rohren angeordnet sind. Der Lufteintritt für die Kühlerelemente ist beispielsweise im Unterbodenbereich des Fahrzeugs angeordnet.

[0005] Aus der WO 2008/095582 A1 ist ein Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator bekannt, bei welchem der thermoelektrische Generator unmittelbar an einer Wärme abgebenden Komponente, beispielsweise dem Fahrzeugmotor, angeordnet und thermisch leitend damit verbunden ist. Die Wärmesenke des thermoelektrischen Generators wird entweder durch Kühlrippen realisiert, die vom Fahrtwind beaufschlagt sind, oder ist z.B. an einen flüssigkeitsdurch-strömten Kühlkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen. Im ersten Fall müssen die Lufteinlässe an der Fahrzeugfront vergrößert werden, wodurch der cw-Wert des Fahrzeugs verschlechtert wird, im zweiten Fall erfolgt ein erhöhter Wärmeeintrag in den Kühlkreislauf des Fahrzeugs, wodurch dieser entsprechend größer dimensioniert werden muss.

[0006] Aus der DE 42 19 938 A1 ist es bekannt, zweischalige Aluminium-Verkleidungsplatten als Karosserieteile herzustellen, in deren Zwischenraum Strömungswege für ein Kühlmittel geformt werden, wodurch die Verkleidungsplatten als eine Art Wärmetauscher fungieren können. Die Herstellung erfolgt nach einem aufwendigen Verfahren. Die derart hergestellten Wärmetauscher sind im Kühlkreislauf für die Motorkühlung eingebunden.

[0007] Aus der DE 10 2004 049 636 A1 ist eine ähnliche Vorrichtung zur Kühlung von flüssigen, gasförmigen oder fließfähigen Medien von Fahrzeugen bekannt, die ebenfalls eine doppelwandige oder mehrwandige Ausbildung der Mantelhülle eines Fahrzeugs aufweist, in deren Zwischenraum ein Kühlmedium geführt werden kann.

[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie in 1 /6 österreichisches Patentamt AT508 500B1 2012-01-15 einem motorbetriebenen Fahrzeug derart zu verbessern, dass für eine ausreichende Kühlung der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Generatoreinheit gesorgt werden kann, ohne die aerodynamischen Werte des Fahrzeugs maßgeblich zu verschlechtern bzw. ohne zusätzliche aktive Komponenten wie Lüfter, Pumpen etc. einbauen zu müssen.

[0009] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein von einem allfälligen Kühlmittelkreislauf zur Motor- oder Ölkühlung des Fahrzeugs unabhängiger Kühlmittelkreislauf zur Abfuhr von Wärmeenergie in ein Karosserieteil des Fahrzeuges vorgesehen ist, wobei an der dem Fahrzeuginneren zugewandten Seite des Karosserieteils mittels thermisch leitender Kontaktelemente ein in den Kühlmittelkreislauf integrierter Kühlmittelwärmetauscher angeordnet ist.

[0010] Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird die vom thermoelektrischen Modul abgeführte Wärme in bereits vorhandene, großteils aerodynamisch optimierte Karosserieteile des Fahrzeugs eingeleitet, so dass der cw-Wert dadurch in keiner Weise beeinträchtigt wird. Durch die Tatsache, dass kein zusätzlicher Wärmeeintrag in den Motorkühlkreis erfolgt, können beispielsweise bei einem PKW mit Kühlerjalousien diese häufiger bzw. weiter geschlossen und so der Vorteil ausgenützt werden, dass bei geschlossenen Jalousien der cw-Wert um typischerweise 5% niedriger ist als bei offenen Jalousien. Weiters kann dadurch häufiger auf die Aktivierung des Fahrzeuglüfters verzichtet werden.

[0011] Ein weiterer Vorteil eines von der Motorkühlung unabhängigen Kühlkreislaufes besteht darin, dass ein Niedertemperaturkreislauf mit einem Betriebstemperaturbereich von 30°C bis 50°C, an Stelle der üblichen 95°C, eingesetzt werden kann. Das führt dazu, dass herkömmlicher Kältemittel eingesetzt werden können, die im Betrieb einen Phasenwechsel flüssig/gas-förmig unterliegen, wobei der Effekt des Blasensiedens für einen effizienten Wärmetransport ausgenützt werden kann.

[0012] Als bevorzugte Karosserieteile können Bereiche einer Seitenwand, der Rückwand des Fahrzeugdachs oder des Radkastens herangezogen werden.

[0013] Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Kühlmittelwärmetauscher zur Nutzung der konvektiven Umwälzung des Kühlmittels einen Kühlmitteleinlass auf, der geodätisch oberhalb der thermoelektrischen Einheit sowie der Wärmequelle angeordnet ist, wobei eine Steigleitung vorgesehen ist, die den Kühlmittelauslass der thermoelektrischen Generatoreinheit mit dem Kühlmitteleinlass des Kühlmittelwärmetauschers verbindet. Damit kann das Thermosiphonprinzip ausgenutzt werden, so dass für den Transport des Kühlmittels keine aktiven Bauelemente wie Pumpen etc. notwendig sind.

[0014] Das Thermosiphonprinzip ist zwar in einem anderen Zusammenhang aus der DE 34 07 521 C1 bekannt und wird hier dazu verwendet, einen Kühlkreislauf für einen Turbolader nach dem Abstellen der Brennkraftmaschine durch eine Thermosiphonwirkung aufrecht zu erhalten. Die Abfuhr der Wärmeenergie erfolgt hier allerdings in den Motorkühlkreislauf, so dass die eingangs erwähnten Nachteile auftreten.

[0015] Eine weitere Anwendung eines Thermosiphons ist aus der WO 2008/025707 A1 bekannt, in welcher ein thermoelektrischer Generator in einer Brennkraftmaschine und Mitteln zur Temperaturbegrenzung an dem Generator aufgezeigt werden. Der Thermosiphon ist hier - im Unterschied zur Erfindung - an der Hochtemperaturseite der thermoelektrischen Generatoreinheit angeordnet und dient zur Vermeidung von zu hohen Temperaturen für die hier eingesetzten TEG-Materialen mit relativ niedriger Maximaltemperatur von ca. 350°C.

[0016] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: [0017] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie in einem PKW in schematischer Darstellung; [0018] Fig. 2 einen Detailschnitt gemäß Linie ll-ll in Fig. 1; [0019] Fig. 3 einen Detailschnitt gemäß Linie lll-lll in Fig. 1; sowie 2/6 österreichisches Patentamt AT508 500B1 2012-01-15 [0020] Fig. 4 eine Anwendung des Thermosiphon-Prinzips zur Abfuhr von Wärmeenergie eines AGR-Systems in einem LKW.

[0021] Die in der Fig. 1 und den Details gemäß Fig. 2 und Fig. 3 schematisch dargestellte, erfindungsgemäße Vorrichtung ist in ein motorbetriebenes Fahrzeug 10 mit einer Brennkraftmaschine 11 eingebaut und dient zur Gewinnung elektrischer Energie aus der Abfallwärme des Abgassystems.

[0022] Im dargestellten Beispiel ist eine thermoelektrische Generatoreinheit 1 im Abgasstrang 12 beispielsweise in Strömungsrichtung nach einer Einrichtung 13 zur Abgasnachbehandlung angeordnet. Die thermoelektrische Generatoreinheit 1 weist mehrere thermoelektrische Module 2 auf, welche mit einer Seite eine Wärmequelle 3 (hier in Form der Abgaswärmetauscher 3') und mit der gegenüberliegenden Seite ein Kühlmittel eines Kühlmittelkreislauf 4 thermisch kontaktieren. Der Kühlmittelkreislauf 4 belastet nun nicht den vorhandenen Kühlwasserkreislauf 20 des Fahrzeuges 10 sondern ist zur Abfuhr von Wärmeenergie mit einem Karosserieteil 5 des Fahrzeuges 10 verbunden, wobei dieser Karosserieteil 5 (beispielsweise eine Seitenwand, Rückwand, Dachbereich oder der Radkasten des PKW) der Umgebungsluft bzw. dem Fahrtwind ausgesetzt ist, so dass für eine effektive Wärmeabfuhr gesorgt ist.

[0023] Die Abgabe der Wärmeenergie in den Karosserieteil 5 erfolgt mit Hilfe eines Kühlmittelwärmetauschers 6, der an der dem Fahrzeuginneren zugewandten Seite 7 des Karosserieteils 5 mittels thermisch leitender Kontaktelemente 8 (s. Fig. 3) angeordnet ist.

[0024] Der Betrieb des Kühlmittelkreislaufes 4 erfolgt bevorzugt ohne aktive Umwälzmittel nach dem Funktionsprinzip des Thermosiphons, wobei der karosserieseitige Kühlmittelwärmetauscher 6 zur Nutzung der konvektiven Umwälzung des Kühlmittels einen Kühlmitteleinlass 9 aufweist, der oberhalb der thermoelektrischen Generatoreinheit 1 angeordnet ist. Zu diesem Zweck ist eine Steigleitung 14 vorgesehen, die den Kühlmittelauslass 15 im oberen Bereich der thermoelektrischen Generatoreinheit 1 mit dem Kühlmitteleinlass 9 des Kühlmittelwärmetauschers 6 verbindet.

[0025] Im dargestellten Beispiel weist der Kühlmittelwärmetauscher 6 ein mäanderartig in Fließrichtung des Kühlmittels fallend angeordnetes Wärmetauscherrohr 16 auf, das über eine Anschluss- oder Fallleitung 17 in den Kühlmitteleinlass 18 im unteren Bereich der thermoelektrischen Generatoreinheit 1 mündet. Der Kühlmittelwärmetauscher 6 kann auch aus mehreren, parallel angeordneten Wärmetauscherrohren bestehen.

[0026] Bevorzugt wird als Wärmequelle ein vom Abgas der Brennkraftmaschine 11 des Fahrzeuges 10 durchströmter Abgaswärmetauscher 3' verwendet, es ist im Rahmen der Erfindung jedoch auch möglich, eine wärmeemittierende Komponente der Antriebseinheit wie Motor, Ölwanne, etc. als Wärmequelle 3 zu verwenden, mit deren Oberfläche das thermoelektrische Modul 2 der Generatoreinheit 1 direkt in thermischem Kontakt steht.

[0027] Das im Kühlmittelkreislauf 4 zirkulierende Kühlmittel kann bevorzugt ein Kältemittel sein, beispielsweise ein in Fahrzeugklimaanlagen verwendetes Kältemittel, das im Betrieb einem Phasenwechsel flüssig/gasförmig unterliegt. Der Flüssigkeitsspiegel 19 ist in der Generatoreinheit 1 strichliert angedeutet. Das in der Generatoreinheit 1 verdampfende Kältemittel steigt in der Steigleitung 14 auf, kondensiert unter Wärmeabgabe an das Karosserieteil 5 und fließt durch die Fallleitung 17 zurück in die Generatoreinheit 1.

[0028] Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Nutzfahrzeugs 10, bei welchem der Kühlmittelkreislauf 4 - unter Ausnützung des Thermosiphonprinzips - über einen Wärmetauscher 21 mit dem AGR-System 22, (bzw. einem Turbolader oder einer anderen wärmeemittierende Komponente der Antriebseinheit) in thermischem Kontakt steht. Die vom AGR-System abgegebene Wärme wird dadurch ohne zusätzliche aktive Komponenten sowie ohne Belastung der Fahrzeugkühlung direkt in die großflächigen Rück- und Seitenteile der Karosserie 5 des Nutzfahrzeugs eingeleitet. Zwischen dem AGR-System 22 und dem Wärmetauscher 21 kann eine hier nicht dargestellte thermoelektrische Generatoreinheit angeordnet sein.

[0029] Bei Fernverkehrs-NFZ liegt die über den Fahrzeugkühler abführbare Wärmeleistung 3/6

Claims (9)

1. österreichisches Patentamt AT508 500 B1 2012-01-15 ohne Aktivierung des Fahrzeugkühlerlüfters bei rund 100 KW. Dieser Wert wird - als Folge der immer höheren Abgasrückführraten zur Erfüllung von immer strengeren Abgasemissionsvorschriften - häufig überschritten. Bei aktuellen EUR06 Motoren kommt es selbst im Betrieb des Fernverkehrs-NFZ in Ländern ohne Bergstrecken bereits zu Aktivierungsraten der Fahrzeugkühlerlüfter im Bereich von 10%. Der dadurch hervorgerufene Kraftstoffmehrverbrauch liegt bei immerhin 1% - 2%. Gemäß vorliegender Erfindung wird nun ein Teil der Kühlleistung über die Fahrzeugaußenhaut abgegeben, wodurch die Häufigkeit der Kühlerlüfteraktivierung und der damit verbundenen Kraftstoffmehrverbrauch wesentlich reduziert werden kann. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Gewinnung elektrischer Energie in einem motorbetriebenen Fahrzeug (10), mit einer thermoelektrischen Generatoreinheit (1), die zumindest ein thermoelektrisches Modul (2) aufweist, welches mit einer Seite eine Wärmequelle (3) und mit der anderen Seite einen Kühlmittelkreislauf thermisch kontaktiert, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem allfälligen Kühlmittelkreislauf (20) zur Motor- oder Ölkühlung des Fahrzeugs (10) unabhängiger Kühlmittelkreislauf (4) zur Abfuhr von Wärmeenergie in ein Karosserieteil (5) des Fahrzeuges (10) vorgesehen ist, wobei an der dem Fahrzeuginneren zugewandten Seite (7) des Karosserieteils (5) mittels thermisch leitender Kontaktelemente (8) ein in den Kühlmittelkreislauf (4) integrierter Kühlmittelwärmetauscher (6) angeordnet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Karosserieteil (5) ein Bereich einer Seitenwand, der Rückwand des Dachs oder des Radkastens des Fahrzeugs (10) ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelwärmetauscher (6) zur Nutzung der konvektiven Umwälzung des Kühlmittels einen Kühlmitteleinlass (9) aufweist, der geodätisch oberhalb der thermoelektrischen Einheit (1) sowie der Wärmequelle (3) angeordnet ist, wobei eine Steigleitung (14) vorgesehen ist, die den Kühlmittelauslass (15) der thermoelektrischen Generatoreinheit (1) mit dem Kühlmitteleinlass (9) des Kühlmittelwärmetauschers (6) verbindet.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelwärmetauscher (6) mäanderartig oder parallel geführte, in Fließrichtung des Kühlmittels vorzugsweise fallend angeordnete Wärmetauscherrohre (16) aufweist, die über einen Fallleitung (17) in den Kühlmitteleinlass (18) der thermoelektrischen Generatoreinheit (1) münden.
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (3) ein vom Abgas der Brennkraftmaschine (11) des Fahrzeuges durchströmter Abgaswärmetauscher (3') ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (3) ein AGR-System (20) oder ein Turbolader des Fahrzeugs (10) ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (3) eine wärmeemittierende Komponente der Antriebseinheit wie Motor, Ölwanne, etc. ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das im Kühlmittelkreislauf (4) zirkulierende Kühlmittel ein Kältemittel ist, das im Betrieb einem Phasenwechsel flüssig/gasförmig unterliegt.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (4) ein Niedertemperaturkreislauf mit einem Betriebstemperaturbereich von 30°C bis 50°C ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 4/6