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Die
Erfindung betrifft die Verwendung von Halbleiterblockelementen zur
Vor- beziehungsweise Erwärmung
von Verbrennungsmotoren, insbesondere durch die Vor- beziehungsweise
Erwärmung
der sich in diesen Motoren befindlichen Flüssigkeiten.
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Es
ist bekannt, dass zur Einsparung von beispielsweise Dieselkraftstoff
und mit dessen Verbrennung einher gehender Umweltbelastung, insbesondere
bei verbrauchsintensiven Verbrennungsmotoren, welche vorwiegend
zum Einsatz in LKW oder Landwirtschaftsmaschinen gelangen, viele
Versuche durchgeführt
wurden, mit dem Ziel, Dieselkraftstoff durch weniger belastende
Kraftstoffe wie beispielsweise Pflanzenöle zu ersetzen.
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Auch
wurden umfangreiche Bestrebungen durchgeführt, die Umweltbelastung durch
Verbrennungsmotoren überhaupt
zu senken.
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Eine
besondere Belastung mit die Umwelt belastenden Gasen und anderen
Verbrennungsrückständen ist
regelmäßig bei
kalten Verbrennungsmotoren festzustellen.
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In
der Phase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur treten bei allen
Verbrennungsmotoren unabhängig
vom zu verbrennenden Kraftstoff erhöhte Belastungen auf.
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Es
ist bekannt, dass bei so genannten Hybridfahrzeugen eine Vorwärmung des
Verbrennungsmotors mittels der in diesen Fahrzeugen zur Verfügung stehenden
Elektroenergie erfolgt.
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Nachteilig
ist es hierbei, dass sich die Motorenkonzepte dieser Fahrzeuge noch
nicht am Markt durchgesetzt haben und bei weitem nicht von allen Fahrzeugherstellern
angeboten werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Lösung anzubieten,
mittels welcher die erheblichen Umweltbelastungen durch Verbrennungsmotoren
minimiert werden kann und welche bei herkömmlichen Motorkonzepten anwendbar
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Verwendung von bekannten Halbleiterblockelementen gelöst.
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Diese
bekannten Halbleiterblockelemente werden regelmäßig zur Erzeugung von elektrischer Energie
eingesetzt.
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Dabei
wird das Halbleiterblockelement aus Thermoelementen gebildet, welche
vorzugsweise so angeordnet sind, dass sie eine möglichst große anströmbare Oberfläche bilden.
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Bekannte
Thermoelemente haben die Eigenschaft, dass, wenn sie stromdurchflossen
sind, sich thermoelektrische Effekte in ihnen überlagern. Dies sind der Seebeck-
und der Peltiereffekt.
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Wenn
ein elektrischer Strom einen Zweileiterkreis durchfließt, wird
je nach Stromrichtung an der einen Kontaktstelle Wärme erzeugt,
wogegen an der anderen Kontaktstelle Wärme absorbiert wird. Hierbei
wird vom Peltiereffekt gesprochen. Die dabei je Zeiteinheit erzeugte
bzw. absorbierte Wärmemenge QP ist proportional zur elektrischen Stromstärke I.
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Dabei
gilt QP = Π1,2·I, wobei Π1,2 als
Peltierkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet wird. Der Peltierkoeffizient
ist positiv, wenn der Stromfluss von Leiter 1 nach Leiter 2 Wärmeentwicklung
an der Kontaktstelle bewirkt.
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Die
Umkehrung des Peltiereffekts ist der Seebeckeffekt. Werden in einem
offenen Zweileiterkreis, bestehend aus den Leitern 1 und 2, die
Kontaktstellen auf verschiedene Temperaturen TW und
TK gebracht, so wird an den freien Leiterenden
eine elektrische Spannung US erzeugt. Diese
Thermospannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen
den Kontaktstellen.
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Dabei
gilt US = α1 , 2 (TW und
TK)
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Der
Proportionalitätsfaktor α1 , 2 wird als Thermokraft
oder Seebeckkoeffizient der Leiterkombination bezeichnet. Definitionsgemäß ist aα1 , 2 1,2 positiv, wenn
im geschlossenen Kreis der (konventionelle) Thermostrom an der kälteren Kontaktstelle
vom Leiter 1 zum Leiter 2 fließt.
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1 zeigt
eine Variante eines Halbleiterblockelementes 1 mit einer
Anordnung von Thermoelementen 2 im Verbund. Die Anordnung
der Elemente 2 zueinander ist dabei lediglich beispielhaft dargestellt.
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Die
bekannten Halbleiterblockelemente werden bekanntermaßen in Abhängig der
vorrangig zu lösenden
Aufgabe entweder zur Temperaturerzeugung mit Peltierelementen oder
aber zur Energieerzeugung mit Seebeckelementen ausgestattet.
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Zur
erfindungsgemäßen Vor-
beziehungsweise Erwärmung
von Motoren ist der Einsatz beider Elementearten denkbar.
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Beide
Elementearten sind sowohl zur Wärmeerzeugung
als auch zur Energieerzeugung einsetzbar
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Die
vorrangig zur Wärmeerzeugung
eingesetzten Peltierelemente weisen den Vorteil einer besseren Wärmeerzeugung
auf, haben jedoch Nachteile bei „umgekehrter" Nutzung zur Energieerzeugung, gegenteilige
Ergebnisse sind von den Seebeckelementen zu erwarten.
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So
kann eine Auswahl der Elemente erfolgen unter den Gesichtspunkten
der schnelleren Erwärmung,
hier wäre
Peltierelementen der Vorzug zu geben, oder dem Gesichtspunkt der
Nutzung der Elemente im Betrieb zur Energieerzeugung, hier sollten Seebeckelemente
zum Einsatz kommen.
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Da
jedoch mittels der im Betrieb des Verbrennungsmotors erzeugten Temperaturen
durch das erfindungsgemäß eingesetzte
Halbleiterblockelement ausreichend elektrische Energie zur Versorgung
des Bordnetzes erzeugt werden kann, ist auch eine entsprechende
Kombination dieser Elemente denkbar.
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Das
erfindungsgemäß eingesetzte
Halbleiterblockelement wird dabei so angeordnet, dass es von dem
jeweiligen Medium, welches beispielsweise Motoröl, Kühlwasser, aber auch vorzuwärmender Kraftstoff
sein kann, durchströmt
wird und dass auf die den Halbleiterblock bildenden Thermoelemente elektrische
Energie aufgegeben und dadurch Wärme erzeugt
wird, welche an das das Halbleiterblockelement durchströmende Medium
abgegeben wird.
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Sind
der Motor und die betreffenden Medien ausreichend erwärmt und
haben ihre Betriebstemperatur erreicht, so kann durch entsprechende
Steuerung das Halbleiterblockelement zur Erzeugung von elektrischer Energie
genutzt werden und damit die Fahrzeugbatterie geladen werden beziehungsweise das
Bordnetz versorgt werden.
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Nachfolgend
soll der Aufbau der Halbleiterblockelemente noch näher erläutert werden.
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Die
Stabilisierung der bekannten Halbleiterblockelemente 1 wird
erreicht durch die Anwendung einer direkten Kontaktierung, welche
vorzugsweise durch die Ausführung
eines Innenvergusses der Thermoelemente 2 ermöglicht wird.
Gleichzeitig wird dadurch eine elektrische Isolierung der Kontakte
realisiert.
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2 zeigt
eine mögliche
Ausführungsform in
Form einer möglichen
Verbindung von Halbleiterblockelementen 1 zu einem Energieerzeugungssystem 5 im
Schnitt.
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Dieses
Energieerzeugungssystem 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben,
welche vorzugsweise von den temperaturführenden Medien durchströmt wird.
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Beispielhaft
wird das Energieerzeugungssystem 5 in der dargestellten
Variante gebildet aus innenliegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen 1i . Diese bilden einen inneren Strömungsbereich
K1, welcher von einem niedrig- temperaturführenden Medium durchströmt wird.
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Ein
mittlerer Strömungsbereich
H1 wird von einem äußeren weiteren
Ring gekoppelter Halbleiterblockelementen 1a begrenzt
und wird von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt. Zwischen
der äußeren Hülle 6 und
den Halbleiterblockelementen 1a strömt wiederum
ein niedrig- temperaturführendes
Medium K2.
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Mittels
dieser Anwendungsform 5 ist unter optimaler Raumnutzung
eine optimale Ausnutzung der Thermoelemente 2 gegeben.
Eine paarweise Erweiterung dieses Systems um weitere Strömungsbereiche
K und H ist ohne weiteres möglich.
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Weitere
Ausgestaltungen der Halbleiterblockelemente beziehungsweise -syteme
besteht darin, dass in den Strömungsbereichen
(K1, H1, K2, H2 ...) Elemente angeordnet sind, welche geeignet sind, eine
Umwandlung von laminarer Strömung
in turbulente Strömung
auszulösen.
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Diese
Ausgestaltung bewirkt den Vorteil, dass dadurch eine Verringerung
der Strömungsgeschwindigkeit
erreicht wird, welche eine Optimierung des Wärmeübergangs in geschlossenen Systemen bei
definiertem vorgegebenem Druck ermöglicht.
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3 und 4 zeigen
eine weitere Variante einer Ausgestaltung der Halbleiterblockelemente
beziehungsweise -syteme, wobei 3 einen Vertikalschnitt
und 4 einen Horizontalschnitt zeigen.
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Diese
hier vorgeschlagene Variante 5 wird von einer äußeren Hülle 6 umgeben,
welche die Zuführung
der Strömungsbereiche
K und H aufnimmt beziehungsweise bildet.
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Beispielhaft
wird das Energie- bzw. Wärmeerzeugungssystem 5 in
der dargestellten Variante gebildet aus aufeinander liegenden gekoppelten Halbleiterblockelementen 1i . Diese bilden parallel abwechselnd
angeordnete Strömungsbereiche
K, welche von einem niedrigtemperaturführenden Medium durchströmt werden
und Strömungsbereiche
H, welche von einem hoch- temperaturführenden Medium durchströmt werden,
so dass eine vorzugsweise einem Mäander ähnelnde Durchströmung stattfindet.
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Der
Aufbau dieser Art Blockelement ist dabei so ausgeführt, dass
eine möglichst
große
Anzahl von Halbleiterelementen in verschiedenen Ebenen zusammengefasst
ist.
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Mittels
dieser weiteren Anwendungsform ist unter optimaler Raumnutzung ebenfalls
eine optimale Ausnutzung der Thermoelemente 2 gegeben.
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Eine
ebenenweise Erweiterung dieses Systems um weitere Halbleiterblockelemente 1 und
dementsprechende Strömungsbereiche
K und H ist ohne weiteres möglich.