DE102008038756A1 - Heat exchanger, particularly exhaust gas recycling radiator for motor vehicle, has multiple thermoelectric components for producing electrical energy - Google Patents

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Abstract

The heat exchanger has multiple thermoelectric components (28) for producing electrical energy. The components are arranged between the cooling mediums of the heat exchanger in heat transmission area. The two groups of the thermoelectric components are provided with different high efficiencies in different temperature areas.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Bauelementen zum Erzeugen elektrischer Energie, welche im Wärmeübertragungsbereich zwischen einem zu kühlenden Medium und einem Kühlmedium des Wärmetauschers angeordnet sind.The The invention relates to a heat exchanger for a Motor vehicle, with a plurality of thermoelectric components for generating electrical energy, which in the heat transfer area between a medium to be cooled and a cooling medium of the heat exchanger are arranged.

Die WO 2007/026432 A1 beschreibt einen als Abgasrückführungs-Kühler ausgebildeten Wärmetauscher, in welchen thermoelektrische Bauelemente zum Erzeugen elektrischer Energie integriert sind. Die thermoelektrischen Bauelemente sind hierbei in einem Zwischenraum angeordnet, an welchen ein das heiße Abgas als zu kühlendes Medium führendes Flachrohr einerseits und ein ebenfalls flach ausgebildeter Kühlwasserkanal andererseits angrenzen.The WO 2007/026432 A1 describes a trained as exhaust gas recirculation cooler heat exchanger, in which thermoelectric components are integrated to generate electrical energy. The thermoelectric components are in this case arranged in a gap to which a hot exhaust gas as the medium to be cooled leading flat tube on the one hand and an equally flat trained cooling water channel on the other.

Als nachteilig bei einem derartigen Wärmetauscher ist der Umstand anzusehen, dass eine Energieausbeute, welche mittels der thermoelektrischen Bauelemente erzielbar ist, vergleichsweise gering ist.When The disadvantage of such a heat exchanger is the fact to see that an energy yield, which by means of the thermoelectric Components is achievable, is relatively low.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher eine verbesserte Energieausbeute der thermoelektrischen Bauelemente ermöglicht.task Therefore, it is the object of the present invention to provide a heat exchanger of the type mentioned, which improved Energy yield of the thermoelectric devices allows.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.These The object is achieved by a heat exchanger solved with the features of claim 1. advantageous Embodiments with expedient developments The invention are defined in the dependent claims specified.

Bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Bauelementen zum Erzeugen elektrischer Energie, welche im Wärmeübertragungsbereich zwischen einem zu kühlenden Medium und einem Kühlmedium des Wärmetauschers angeordnet sind, sind wenigstens zwei Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente vorgesehen, welche in unterschiedlichen Temperaturbereichen jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisen. Mittels der je nach Temperaturbereich unterschiedlich hohe Effizienzen aufweisenden Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente ist eine verbesserte Energieausbeute ermöglicht.at the heat exchanger according to the invention for a motor vehicle, with a plurality of thermoelectric components for generating electrical energy, which in the heat transfer area between a medium to be cooled and a cooling medium of the heat exchanger are at least two Groups of thermoelectric components provided, which in different Temperature ranges each have a different high efficiency exhibit. By means of depending on the temperature range different high efficiencies having groups of thermoelectric devices is an improved energy yield allows.

Beispielsweise kann beim Integrieren der wenigstens zwei Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente in einen einer Abgasrückführeinrichtung zugeordneten Wärmetauscher für hohe Lastbereiche einer Verbrennungskraftmaschine und mit diesen einhergehenden hohen Abgastemperaturen eine erste Gruppe thermoelektrischer Bauelemente bereit gestellt sein. Eine zweite Gruppe kann für niedrigere Lastbereiche der Verbrennungskraftmaschine mit entsprechend niedrigeren Abgastemperaturen zur Verfügung stehen und Energie mit hoher Effizienz erzeugen.For example can be used in integrating the at least two groups of thermoelectric components in one of an exhaust gas recirculation device associated Heat exchanger for high load ranges of an internal combustion engine and associated with these high exhaust gas temperatures a first Group of thermoelectric devices be provided. A second group can for lower load ranges of the internal combustion engine with correspondingly lower exhaust gas temperatures available stand and generate energy with high efficiency.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente in Abhängigkeit von einem beim Betreiben des Wärmetauschers sich einstellenden Temperaturgradienten in dem Wärmetauscher angeordnet. So stehen auch bei im Wesentlichen konstanten Lastbedingungen entsprechend des sich in dem Wärmetauscher einstellenden Temperaturgradienten jeweils eine hohe Effizienz aufweisende Gruppen an thermoelektrischen Bauelementen zur Verfügung.In an advantageous embodiment of the invention are the least two groups of thermoelectric components in dependence from one adjusting itself when operating the heat exchanger Temperature gradient arranged in the heat exchanger. So are also at substantially constant load conditions accordingly of the temperature gradient occurring in the heat exchanger each having a high efficiency groups of thermoelectric Components available.

Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die thermoelektrischen Bauelemente zwischen einer ersten Wand eines das zu kühlende Medium führenden Bauteils des Wärmetauschers und einer zweiten Wand eines das Kühlmedium führenden Bauteils des Wärmetauschers angeordnet sind. Bei dieser Art der Unterbringung der thermoelektrischen Bauelemente behindern die thermoelektrischen Bauelemente weder einen Massenstrom des zu kühlenden Mediums noch des Kühlmediums. Des Weiteren ist die für die Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe der thermoelektrischen Bauelemente vorzusehende Infrastruktur in dem Wärmetauscher bereits bereitgestellt.When Furthermore, it has been shown to be advantageous if the thermoelectric Components between a first wall of the one to be cooled Medium leading component of the heat exchanger and a second wall of a cooling medium leading component of the heat exchanger are arranged. In this type of Housing the thermoelectric components obstruct the thermoelectric Components neither a mass flow of the medium to be cooled still the cooling medium. Furthermore, the for the heat absorption and heat dissipation of the thermoelectric Components to be provided infrastructure in the heat exchanger already provided.

Beispielsweise steht bei einem einer Abgasrückführeinrichtung zugeordneten Wärmetauscher bereits das Kühlwasser, eine entsprechende Verrohrung, eine Steuerungseinrichtung und der benötigte Bauraum zur Verfügung. Das Erzeugen der elektrischen Energie mittels der thermoelektrischen Bauelemente erhöht hierbei sogar die Kühlleistung des der Abgasrückführeinrichtung zugeordneten Wärmetauschers. Des Weiteren ist durch die flache Bauform der thermoelektrischen Bauelemente und durch deren geringes Gewicht ein Bauraumbedarf und ein Gewicht des Wärmetauschers im Wesentlichen gleich mit dem eines konventionellen Wärmetauschers, welcher keine thermoelektrischen Bauelemente aufweist.For example stands at one of an exhaust gas recirculation device associated heat exchanger already the cooling water, a corresponding piping, a control device and the required space available. The generating the electrical energy by means of thermoelectric components in this case even increases the cooling capacity of the exhaust gas recirculation device associated heat exchanger. Furthermore, by the flat design of the thermoelectric devices and by their low weight, a space requirement and a weight of the heat exchanger substantially equal to that of a conventional heat exchanger, which has no thermoelectric components.

Darüber hinaus erhöht ein Einbauen der thermoelektrischen Bauelemente zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand nicht einen Abgasgegendruck in dem der Abgasrückführeinrichtung zugeordneten Wärmetauscher. Des Weiteren weisen die für Abgasrückführungs-Wärmetauscher bekannten Bauformen, etwa Platten oder Rohrbündel, eine besonders günstige Geometrie zum Integrieren der üblicherweise flachen thermoelektrischen Bauelemente auf. Somit ist ein Fertigen des die thermoelektrischen Bauelemente aufweisenden Wärmetauschers vergleichsweise einfach und kostengünstig zu bewerkstelligen.Moreover, incorporation of the thermoelectric devices between the first wall and the second wall does not increase exhaust backpressure in the heat exchanger associated with the exhaust gas recirculation device. Furthermore, the known for exhaust gas recirculation heat exchanger designs, such as plates or tube bundles, a particularly favorable geometry for integrating the usually flat thermoelectric components on. Thus, a manufacturing of the thermoelectric components having heat exchanger is relatively easy and inexpensive to accomplish.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die wenigstens zwei jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisenden Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente in Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums nebeneinander angeordnet, wobei die für den höheren Temperaturbereich die höhere Effizienz aufweisende Gruppe näher an einer Einströmseite eines das zu kühlende Medium führenden Bauteils angeordnet ist.In a further advantageous embodiment of the invention are the at least two each having a different high efficiency Groups of thermoelectric components in the flow direction of the medium to be cooled next to each other, wherein the higher for the higher temperature range Efficiency group closer to an inflow side a component leading to the cooling medium is arranged.

Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass die wenigstens zwei jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisenden Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente in Richtung eines Temperaturgradienten zwischen dem zu kühlenden Medium und dem Kühlmedium übereinander angeordnet sind, wobei die für den höheren Temperaturbereich die höhere Effizienz aufweisende Gruppe näher an dem zu kühlenden Medium angeordnet ist. Dadurch ist für eine Vielzahl von Lastzuständen und Temperaturbereichen eine besonders hohe Energieausbeute mittels der thermoelektrischen Bauelemente erreichbar.additional or alternatively it can be provided that the at least two each a different high efficiency groups of thermoelectric Components in the direction of a temperature gradient between the to be cooled medium and the cooling medium over each other are arranged, which for the higher temperature range the higher-efficiency group closer is arranged on the medium to be cooled. This is for a variety of load conditions and temperature ranges a particularly high energy yield by means of the thermoelectric Components accessible.

Der wenigstens eine Wärmetauscher, welcher die thermoelektrischen Bauelemente aufweist, kann auch als Ladeluftkühler und/oder als Ölkühler ausgebildet sein. Bei den beispielhaft genannten Ausführungsformen des Wärmetauschers ist bereits ohne dass die thermoelektrischen Bauelemente in diesen integriert sind, also systemseitig, für eine sehr gute Wärmeübertragung von dem zu kühlenden Medium auf das Kühlmedium gesorgt. Beispielsweise zeichnet sich der Wärmeübergang des Abgases auf die Kühlerwand des das Kühlmedium führenden Bauteils des Wärmetauschers durch eine sehr hohe Nußelt-Zahl aus. Darüber hinaus ist auf Seiten des das Kühlmedium führenden Bauteils bereits systemseitig ein Kühlwasseranschluss bereitgestellt.Of the at least one heat exchanger, which the thermoelectric Having components, can also be used as intercooler and / or be designed as an oil cooler. In the example mentioned embodiments of the heat exchanger is already without the thermoelectric components in these are integrated, so the system side, for a very good Heat transfer from the to be cooled Medium taken care of the cooling medium. For example, draws the heat transfer of the exhaust gas to the radiator wall of the cooling medium leading component of the heat exchanger by a very high Nusselt number. About that In addition, on the part of the cooling medium leading Component already provided on the system side a cooling water connection.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen.Further Advantages, features and details emerge from the following Description of a preferred embodiment as well based on the drawings.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine perspektivische Ansicht eines Abgasrückführungskühlers, welcher thermoelektrische Bauelemente zum Erzeugen elektrischer Energie aufweist; 1 a perspective view of an exhaust gas recirculation cooler, which has thermoelectric components for generating electrical energy;

2 einen stark schematisierten Querschnitt durch den Abgasrückführungskühler gemäß 1; und 2 a highly schematic cross section through the exhaust gas recirculation cooler according to 1 ; and

3 einen stark schematisierten Längsschnitt durch den Abgasrückführungskühler gemäß 1. 3 a highly schematic longitudinal section through the exhaust gas recirculation cooler according to 1 ,

1 zeigt perspektivisch einen Abgasrückführungskühler 10, welcher im Folgenden mit AGR-Kühler abgekürzt wird, als Beispiel für einen Wärmetauscher eines Kraftfahrzeugs. Der AGR-Kühler 10 weist einen im Wesentlichen quaderförmigen Kühlabschnitt 12 auf, an dessen Einströmseite eine Eintrittsleitung 14 und an dessen Austrittsseite eine Austrittsleitung 16 angeschlossen ist. Die Eintrittsleitung 14 und die Austrittsleitung 16 weisen jeweils einen Flansch 18 auf, über welchen der AGR-Kühler 10 in einen Abgasrückführungstrakt einzubinden ist. Der Kühlabschnitt 12 weist zudem Anschlussleitungen 20 zum Zuführen bzw. Abführen von Kühlwasser als Kühlmedium auf. 1 shows in perspective an exhaust gas recirculation cooler 10 , which is abbreviated hereafter with EGR cooler, as an example of a heat exchanger of a motor vehicle. The EGR cooler 10 has a substantially cuboid cooling section 12 on, on the inflow side of an inlet line 14 and at its exit side, an outlet conduit 16 connected. The entrance line 14 and the discharge line 16 each have a flange 18 on which the EGR cooler 10 is to be integrated into an exhaust gas recirculation tract. The cooling section 12 also has connecting cables 20 for supplying or discharging cooling water as a cooling medium.

Das Rückführen des mittels des AGR-Kühlers 10 gekühlten Abgases in einen Verbrennungsraum einer vorliegend nicht gezeigten Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs senkt die Verbrennungstemperatur in dem Verbrennungsraum und führt zu einer Verringerung an Emissionen an Stickoxiden, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Ruß der Verbrennungskraftmaschine. Ein derartiger AGR-Kühler 10 ist insbesondere für selbstzündende, mit Diesel betriebene Verbrennungskraftmaschinen geeignet, wobei Rückführraten von über 60% bei Direkteinspritzungssystemen möglich sind. Demgegenüber können bei einer als Kammermotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine bis zu 40% des Abgases rückgeführt werden. Eine homogene Dieselverbrennung ermöglicht noch höhere Abgasrückführungsraten.The return of the means of the EGR cooler 10 cooled exhaust gas into a combustion chamber of a not shown internal combustion engine of the motor vehicle lowers the combustion temperature in the combustion chamber and leads to a reduction in emissions of nitrogen oxides, unburned hydrocarbons and soot of the internal combustion engine. Such an EGR cooler 10 is particularly suitable for auto-ignition, diesel-powered internal combustion engines, with return rates of over 60% are possible in direct injection systems. In contrast, up to 40% of the exhaust gas can be recycled in a trained as a chamber engine internal combustion engine. Homogeneous diesel combustion allows even higher exhaust gas recirculation rates.

Jedoch auch bei Ottomotoren sind Abgasrückführungsraten von 5 bis 10% verbreitet, je nach Gemischbildung können auch Rückführraten von über 20% erreicht werden, wodurch eine Verringerung des Verbrauchs von bis zu 7% und eine Absenkung der Schadstoffemissionen von unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden von ca. 35% ermöglicht ist.however Also in gasoline engines are exhaust gas recirculation rates from 5 to 10%, depending on mixture formation also achieved return rates of over 20% which results in a reduction of consumption of up to 7% and a reduction in the pollutant emissions of unburned hydrocarbons and nitrogen oxides of about 35% is possible.

2 zeigt einen stark schematisierten Querschnitt durch den Kühlabschnitt 12 des AGR-Kühlers 10 gemäß 1. Aus 2 ist erkennbar, dass der AGR-Kühler 10 ein Gehäuse 22 mit einer Mehrzahl von darin parallel zueinander angeordneten Abgasschächten 24 umfasst. Die Abgasschächte 24 sind als Flachrohre ausgebildet, welche beim Betreiben des AGR-Kühlers 10 von Kühlwasser umströmt sind. In jedem der Abgasschächte 24 ist eine Mehrzahl von Vortexgeneratoren 26 zum Erzeugen bzw. Aufrechterhalten einer turbulenten Strömung des Abgases angeordnet. 2 shows a highly schematic cross section through the cooling section 12 of the EGR cooler 10 according to 1 , Out 2 is recognizable that the EGR cooler 10 a housing 22 with a plurality of mutually parallel exhaust ducts 24 includes. The exhaust shafts 24 are designed as flat tubes, which in the operation of the EGR cooler 10 are surrounded by cooling water. In each of the exhaust shafts 24 is a plurality of vortex generators 26 arranged to generate or maintain a turbulent flow of the exhaust gas.

In einem Wärmeübertragungsbereich zwischen dem Abgas als zu kühlendem Medium und dem Kühlwasser sind gemäß 2 eine Mehrzahl von elektrisch leitend miteinander verbundenen thermoelektrischen Bauelementen 28 angeordnet. Die thermoelektrischen Bauelemente 28 sind vorliegend als flache Module ausgebildet, welche zwischen einer ersten Wand des das Abgas führenden Bauteils, nämlich des Abgasschachts 24 und einer zweiten Wand des das Kühlwasser führenden Bauteils des AGR-Kühlers 10, angeordnet sind.In a heat transfer area between rule the exhaust gas as the medium to be cooled and the cooling water are according to 2 a plurality of electrically conductive interconnected thermoelectric devices 28 arranged. The thermoelectric components 28 are presently designed as flat modules, which between a first wall of the exhaust gas leading component, namely the exhaust duct 24 and a second wall of the cooling water leading component of the EGR cooler 10 , are arranged.

Infolge dieser Anordnung der thermoelektrischen Bauelemente 28 ist ein Abgasgegendruck des AGR-Kühlers 10 gleich dem eines keine thermoelektrischen Bauelemente 28 aufweisenden AGR-Kühlers. Im Gegensatz zu einem nicht mit den thermoelektrischen Bauelementen 28 bestückten AGR-Kühler ist vorliegend der Zwischenraum zwischen der ersten Wand und der zweiten Wand lediglich um bis zu 3 mm verbreitert, um die thermoelektrischen Bauelemente 28 in dem AGR-Kühler 10 unterzubringen. Die ebene Bauweise des als Plattenkühler ausgebildeten AGR-Kühlers 10 erlaubt auf besonders einfache Art und Weise das Integrieren der thermoelektrischen Bauelemente 28 in den AGR-Kühler 10. In 2 sind des Weiteren elektrische Anschlussleitungen 30 zum Kontaktieren der thermoelektrischen Bauelemente 28 dargestellt.As a result of this arrangement of the thermoelectric components 28 is an exhaust back pressure of the EGR cooler 10 equal to the one no thermoelectric components 28 having EGR cooler. Unlike one not with the thermoelectric devices 28 equipped AGR cooler is presently the space between the first wall and the second wall widened only by up to 3 mm to the thermoelectric components 28 in the EGR cooler 10 accommodate. The flat design of the designed as a plate cooler EGR cooler 10 allows the integration of the thermoelectric components in a particularly simple manner 28 in the EGR cooler 10 , In 2 are furthermore electrical connection cables 30 for contacting the thermoelectric components 28 shown.

Vorliegend sind zwei Gruppen thermoelektrischer Bauelemente 28 vorgesehen, welche in unterschiedlichen Temperaturbereichen jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisen.In the present case are two groups of thermoelectric devices 28 provided, which in each case have a different high efficiency in different temperature ranges.

So haben thermoelektrische Bauelemente 28 mit der Elementpaarung BiTe eine besonders hohe Effizienz in einem Temperaturbereich von 300 bis 350 Kelvin. Die die Elementpaarung BiTe vertretende Gruppe kann Bi2Te3 und/oder Mischkristalle eines BiTe, BiSe und SbTe umfassenden Systems aufweisen, etwa der Mischkristallreihe Bi2Te3 – Bi2Se3 – Sb2Te3. Diese erste, die Elemetepaarung BiTe umfassende Gruppe ist vorzugsweise näher an einer Austrittsseite des AGR-Kühlers 10 angeordnet, an welcher eine Wärme des Abgases durch das Kühlwasser vergleichsweise weit abgesenkt ist.So have thermoelectric components 28 With the element combination BiTe a particularly high efficiency in a temperature range from 300 to 350 Kelvin. The group representing the element pairing BiTe can comprise Bi 2 Te 3 and / or mixed crystals of a system comprising BiTe, BiSe and SbTe, for example the mixed crystal series Bi 2 Te 3 - Bi 2 Se 3 - Sb 2 Te 3 . This first group comprising the element pair BiTe is preferably closer to an exit side of the EGR cooler 10 arranged at which a heat of the exhaust gas is lowered comparatively far by the cooling water.

Demgegenüber ist eine zweite Gruppe der thermoelektrischen Bauelemente 28, welche die Elementpaarung PbTe umfasst, näher an der Einströmseite des AGR-Kühlers 10 angeordnet. Eine PbTe-Legierung sowie insbesondere die Elementpaarung PbTe aufweisende Mischkristalle, welche Ag, Sb und/oder Ge enthalten können, weisen eines besonders hohe Effizienz in einem Temperaturbereich von 550 bis 800 Kelvin auf. Diese zweite Gruppe ist vorliegend entsprechend näher an der Einströmseite des AGR-Kühlers 10 angeordnet als die erste, BiTe umfassende Gruppe.In contrast, a second group of thermoelectric components 28 comprising the element pairing PbTe closer to the inflow side of the EGR cooler 10 arranged. A PbTe alloy and especially the elemental combination PbTe having mixed crystals, which may contain Ag, Sb and / or Ge, have a particularly high efficiency in a temperature range of 550 to 800 Kelvin. In the present case, this second group is correspondingly closer to the inflow side of the EGR cooler 10 arranged as the first, BiTe comprehensive group.

Eine dritte Gruppe der thermoelektrischen Bauelemente 28, welche die Elementpaarung CoSb, insbesondere die Verbindung CoSb3, umfasst, weist eine besonders hohe Effizienz in einem Temperaturbereich von 700 bis 950 Kelvin auf. Diese dritte Gruppe ist wiederum näher an der Einströmseite des AGR-Kühlers 10 angeordnet als die zweite Gruppe.A third group of thermoelectric components 28 which comprises the element pairing CoSb, in particular the compound CoSb 3 , has a particularly high efficiency in a temperature range from 700 to 950 Kelvin. This third group is in turn closer to the inflow side of the EGR cooler 10 arranged as the second group.

Eine vierte Gruppe der thermoelektrischen Bauelemente 28, welche die Elementpaarung SiGe und/oder LaTe umfasst, weist eine besonders hohe Effizienz in einem Temperaturbereich von 800 bis über 1000 Kelvin auf. Diese vierte Gruppe kann insbesondere bei AGR-Kühlern 10 zum Einsatz kommen, welche zum Kühlen von rückgeführtem Abgas von Ottomotoren dienen.A fourth group of thermoelectric components 28 comprising the element pairing SiGe and / or LaTe, has a particularly high efficiency in a temperature range from 800 to more than 1000 Kelvin. This fourth group can be particularly useful with EGR coolers 10 are used, which are used for cooling recirculated exhaust gas from gasoline engines.

3 zeigt schematisch den AGR-Kühler 10 im Längsschnitt sowie ein Diagramm zum Veranschaulichen der unterschiedlichen Effizienzen unterschiedlicher Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente 28 in unterschiedlichen Temperaturbereichen. Die Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente 28 sind in Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums nebeneinander an dem AGR-Kühler 10 angeordnet. An der Einströmseite 32 des AGR-Kühlers 10 kann zu kühlendes Abgas eine Temperatur von rund 1.000°C aufweisen. Hier sind die thermoelektrischen Bauelemente 28 der vierten Gruppe angeordnet. In Richtung auf eine Ausströmseite 34 des AGR-Kühlers 10 hin sind zunächst die thermoelektrischen Bauelemente 28 der dritten Gruppe, dann der zweiten Gruppe angeordnet. Im Bereich der Ausströmseite 34 sind demgegenüber bevorzugt die thermoelektrischen Bauelemente 28 der ersten Gruppe angeordnet, da hier der abgekühlte Abgasstrom eine Temperatur von rund 100°C aufweist. 3 schematically shows the EGR cooler 10 in longitudinal section and a diagram illustrating the different efficiencies of different groups of thermoelectric components 28 in different temperature ranges. The groups of thermoelectric components 28 are in the flow direction of the medium to be cooled next to each other on the EGR cooler 10 arranged. At the inflow side 32 of the EGR cooler 10 can be cooled exhaust gas to a temperature of about 1,000 ° C. Here are the thermoelectric components 28 arranged the fourth group. Towards a downstream side 34 of the EGR cooler 10 There are first the thermoelectric components 28 the third group, then the second group arranged. In the area of the outflow side 34 In contrast, the thermoelectric components are preferred 28 arranged the first group, since the cooled exhaust gas stream has a temperature of about 100 ° C.

Ergänzend oder alternativ zu einem Anordnen der thermoelektrischen Bauelemente 28 in Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums kann vorgesehen sein, die für einen höheren Temperaturbereich die höhere Effizienz aufweisende Gruppe der thermoelektrischen Bauelemente 28 in Richtung eines Temperaturgradienten zwischen dem Abgas und dem Kühlwasser abgasnäher anzuordnen als thermoelektrische Bauelemente 28 der zweiten, für den niedrigeren Temperaturbereich die höhere Effizienz aufweisenden Gruppe.In addition or as an alternative to arranging the thermoelectric components 28 In the flow direction of the medium to be cooled, it is possible to provide the group of thermoelectric components which has the higher efficiency for a higher temperature range 28 to arrange in the direction of a temperature gradient between the exhaust gas and the cooling water exhaust gas closer than thermoelectric components 28 the second, the higher efficiency group for the lower temperature range.

Eine solche zweistufige Anordnung der thermoelektrischen Bauelemente 28, welche schematisch eine Schichtung ”heißes Abgas/Hochtemperatur-Bauelement 28/Niedrigtemperatur-Bauelement 28/Kühlwasser” aufweist, zeichnet sich durch einen besonders hohen Wirkungsgrad aus.Such a two-stage arrangement of the thermoelectric components 28 schematically showing a stratification "hot exhaust gas / high temperature component 28 / Low-temperature component 28 / Cooling water ", characterized by a particularly high efficiency.

Eine elektrische Leistung, welche mittels der entsprechend des Temperaturgradienten angeordneten Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente erzeugbar ist, ist vorliegend regelbar, indem ein Massenstrom des den AGR-Kühler 10 durchströmenden Abgases, beispielsweise mittels einer Klappe oder dergleichen, verändert wird. Die Gewinnung elektrischer Energie mittels der Gruppen thermoelektrischer Bauelemente 28 entlastet infolge deren zusätzlicher Kühlwirkung in vorteilhafter Weise den Kühlwasserkreislauf.An electrical power, which by means of the arranged according to the temperature gradient groups of the thermoelectric components is producible, is controllable here, by a mass flow of the EGR cooler 10 flowing exhaust gas, for example by means of a flap or the like, is changed. The production of electrical energy by means of groups of thermoelectric components 28 relieved due to their additional cooling effect advantageously the cooling water circuit.

Um eine Kühlwirkung weiter zu erhöhen, kann in vorliegend nicht näher gezeigter Art und Weise wenigstens ein Peltierelement vorgesehen sein, welches zum Kühlen eines zu kühlenden Mediums die von den thermoelektrischen Bauelementen 28 erzeugte elektrische Energie nutzen kann. Beispielsweise kann das Peltierelement zum Kühlen von Ladeluft mittels eines Ladeluftkühlers eingesetzt werden. Hierbei wird durch aktives Beaufschlagen des Peltierelements mit elektrischem Strom die Ladeluft zusätzlich gekühlt.In order to further increase a cooling effect, at least one Peltier element can be provided in the presently not further shown manner, which for cooling a medium to be cooled, that of the thermoelectric components 28 can use generated electrical energy. For example, the Peltier element can be used for cooling charge air by means of a charge air cooler. In this case, the charge air is additionally cooled by active loading of the Peltier element with electric current.

Die vorliegend am Beispiel des AGR-Kühlers beschriebene Anordnung der in unterschiedlichen Temperaturbereichen jeweils unterschiedlich hohe Effizienzen aufweisenden Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente 28 kann ergänzend oder alternativ zum zusätzlichen Kühlen von Ladeluft und/oder Öl in einem entsprechenden Ladeluftkühler und/oder Ölkühler zum Einsatz kommen.The present example of the EGR cooler described arrangement of different temperature ranges in each case different levels of efficiencies having groups of thermoelectric components 28 may be used in addition to or as an alternative to the additional cooling of charge air and / or oil in a corresponding intercooler and / or oil cooler.

Da sowohl bei Niedriglast, insbesondere jedoch bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine ein Massenstrom des durch den AGR-Kühler 10 geführten Abgases mit zunehmender Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zunimmt, ist das Erzeugen elektrischer Energie mittels der Gruppen thermoelektrischer Bauelemente 28 in einer Vielzahl von Lastbereichen der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs ermöglicht.Since both at low load, but especially at full load of the internal combustion engine, a mass flow through the EGR cooler 10 guided exhaust gas increases with increasing speed of the internal combustion engine, is the generation of electrical energy by means of the groups of thermoelectric devices 28 allows in a variety of load ranges of the internal combustion engine of the motor vehicle.

Eine elektrische Leistung eines wie vorliegend beschrieben ausgebildeten AGR-Kühlers 10 kann für einen Personenkraftwagen im Bereich von 290 Watt liegen. Hierbei stellt sich bei einer Drehzahl von 2400 U/min und einer Last von 50% ein Massenstrom des Abgases durch den AGR-Kühler 10 von 92 kg/h ein. Bei Eintrittstemperaturen des Abgases an dem AGR-Kühler 10 von 550°C und Austrittstemperaturen von 270°C und einer Wärmekapazität des Abgases von 1,0 kJ/kg/K ergibt sich eine Wärmeleistung als Produkt von Masse Wärmekapazität und Temperaturunterschied von 7,2 kW. Bei einer Umwandlungseffizienz der thermoelektrischen Bauelemente 28 von 4% führt dies zu einer mittels der thermoelektrischen Bauelemente 28 erzeugten elektrischen Energie von 290 W.An electric power of an EGR cooler configured as described herein 10 can be for a passenger car in the range of 290 watts. Here, at a speed of 2400 rpm and a load of 50%, a mass flow of the exhaust gas through the EGR cooler 10 of 92 kg / h. At inlet temperatures of the exhaust gas on the EGR cooler 10 of 550 ° C and outlet temperatures of 270 ° C and a heat capacity of the exhaust gas of 1.0 kJ / kg / K results in a heat output as a product of mass heat capacity and temperature difference of 7.2 kW. At a conversion efficiency of the thermoelectric devices 28 of 4%, this leads to a means of thermoelectric components 28 generated electrical energy of 290 W.

Bei einem als Nutzkraftwagen liegen bei einer Drehzahl von 1240 U/min und einer Last von 1126 Nm entsprechend ein Abgasmassenstrom von 0,185 kg/s, Eintrittstemperaturen des Abgases am AGR-Kühler 10 von 470°C und Austrittstemperaturen von 103°C vor. Die Temperaturdifferenz von 367 Kelvin führt hier zu einer Wärmeleistung von 68 kW.In a commercial vehicle are at a speed of 1240 U / min and a load of 1126 Nm corresponding to an exhaust gas mass flow of 0.185 kg / s, inlet temperatures of the exhaust gas at the EGR cooler 10 of 470 ° C and outlet temperatures of 103 ° C before. The temperature difference of 367 Kelvin leads to a heat output of 68 kW.

Somit ist bei dem Nutzkraftwagen mittels der thermoelektrischen Bauelemente 28 eine elektrische Energie von 2,7 kW erzeugbar.Thus, in the commercial vehicle by means of the thermoelectric components 28 an electrical energy of 2.7 kW can be generated.

Bei einer höheren Last der Verbrennungskraftmaschine des Nutzfahrzeugs stellen sich entsprechend höhere Eintrittstemperaturen des Abgases ein, welche beispielsweise bei 3000 Nm an die 700°C heranreichen können. Mittels des mit den thermoelektrischen Bauelementen 28 bestückten AGR-Kühlers 10 sind Austrittstemperaturen des Abgases auch für diese Last von 3000 Nm um die 100°C erreichbar. Auch die an einem Ladeluftkühler des Nutzfahrzeugs in Abhängigkeit von der Last der Verbrennungskraftmaschine auftretenden Temperaturen erlauben ein zusätzliches Kühlen mittels thermoelektrischer Bauelemente 28, wodurch neben dem Kühleffekt in vorteilhafter Weise elektrische Energie erzeugbar ist.At a higher load of the internal combustion engine of the commercial vehicle are correspondingly higher inlet temperatures of the exhaust gas, which can approach, for example, at 3000 Nm to 700 ° C. By means of the thermoelectric components 28 equipped EGR cooler 10 outlet temperatures of the exhaust gas are also accessible for this load of 3000 Nm around 100 ° C. The temperatures which occur at a charge air cooler of the commercial vehicle as a function of the load of the internal combustion engine also allow additional cooling by means of thermoelectric components 28 , which in addition to the cooling effect advantageously electrical energy can be generated.

Im Hinblick auf zunehmend höhere Anforderungen an eine Verringerung von Schadstoffen im Abgas ist das Rückführen von Abgas, welches mittels des AGR-Kühlers 10 kühlbar ist, besonders vielversprechend.In view of increasingly higher demands on a reduction of pollutants in the exhaust gas is the recirculation of exhaust gas, which by means of the EGR cooler 10 is cool, especially promising.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - WO 2007/026432 A1 [0002] - WO 2007/026432 A1 [0002]

Claims (8)

Wärmetauscher für ein Kraftfahrzeug, mit einer Mehrzahl von thermoelektrischen Bauelementen (28) zum Erzeugen elektrischer Energie, welche im Wärmeübertragungsbereich zwischen einem zu kühlenden Medium und einem Kühlmedium des Wärmetauschers (10) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente (28) vorgesehen sind, welche in unterschiedlichen Temperaturbereichen jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisen.Heat exchanger for a motor vehicle, comprising a plurality of thermoelectric components ( 28 ) for generating electrical energy, which in the heat transfer area between a medium to be cooled and a cooling medium of the heat exchanger ( 10 ), characterized in that at least two groups of the thermoelectric components ( 28 ) are provided, which in each case have a different high efficiency in different temperature ranges. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente (28) in Abhängigkeit von einem beim Betreiben des Wärmetauschers (10) sich einstellenden Temperaturgradienten in dem Wärmetauscher (10) angeordnet sind.Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the at least two groups of thermoelectric components ( 28 ) depending on a when operating the heat exchanger ( 10 ) adjusting temperature gradient in the heat exchanger ( 10 ) are arranged. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermoelektrischen Bauelemente (28) zwischen einer ersten Wand eines das zu kühlende Medium führenden Bauteils (24) des Wärmetauschers (10) und einer zweiten Wand eines das Kühlmedium führenden Bauteils des Wärmetauschers angeordnet sind.Heat exchanger according to claim 1 or 2, characterized in that the thermoelectric components ( 28 ) between a first wall of a component leading to the cooling medium ( 24 ) of the heat exchanger ( 10 ) and a second wall of a cooling medium leading component of the heat exchanger are arranged. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente (28) die Elementpaarungen BiTe, insbesondere Mischkristalle eines BiTe, BiSe und SbTe umfassenden Systems, und/oder PbTe und/oder CoSb und/oder SiGe und/oder LaTe umfassen.Heat exchanger according to one of claims 1 to 3, characterized in that the groups of thermoelectric components ( 28 ) the element pairings BiTe, in particular mixed crystals of a system comprising BiTe, BiSe and SbTe, and / or PbTe and / or CoSb and / or SiGe and / or LaTe. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisenden Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente (28) in Strömungsrichtung des zu kühlenden Mediums nebeneinander angeordnet sind, wobei die für den höheren Temperaturbereich die höhere Effizienz aufweisende Gruppe näher an einer Einströmseite (32) eines das zu kühlende Medium führenden Bauteils (24) angeordnet ist.Heat exchanger according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the at least two groups of thermoelectric components ( 28 ) are arranged side by side in the flow direction of the medium to be cooled, wherein the group having the higher efficiency for the higher temperature range is closer to an inflow side ( 32 ) of a component leading to the cooling medium ( 24 ) is arranged. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei jeweils eine unterschiedlich hohe Effizienz aufweisenden Gruppen der thermoelektrischen Bauelemente (28) in Richtung eines Temperaturgradienten zwischen dem zu kühlenden Medium und dem Kühlmedium übereinander angeordnet sind, wobei die für den höheren Temperaturbereich die höhere Effizienz aufweisende Gruppe näher an dem zu kühlenden Medium angeordnet ist.Heat exchanger according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least two each having a different high efficiency having groups of thermoelectric components ( 28 ) are arranged one above the other in the direction of a temperature gradient between the medium to be cooled and the cooling medium, wherein the group having the higher efficiency for the higher temperature range is arranged closer to the medium to be cooled. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wärmetauscher (10) einer Abgasrückführeinrichtung zugeordnet und/oder als Ladeluftkühler und/oder als Ölkühler ausgebildet ist.Heat exchanger according to one of claims 1 to 6, characterized in that at least one heat exchanger ( 10 ) associated with an exhaust gas recirculation device and / or is designed as a charge air cooler and / or as an oil cooler. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Peltierelement vorgesehen ist, welchem zum Kühlen des zu kühlenden Mediums die von den thermoelektrischen Bauelementen (28) erzeugte elektrische Energie zuführbar ist.Heat exchanger according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one Peltier element is provided, which for cooling the medium to be cooled from the thermoelectric components ( 28 ) generated electrical energy can be supplied.
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