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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager
und ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids
in elektrische Energie, mit deren Hilfe insbesondere bei einem mit einer
Brennkraftmaschine verbundenem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs
die thermische Energie des Fluids mit Hilfe eines thermoelektrischen
Modus in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Stand der Technik
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Aus
US 2005/0172993 A1 ist
ein Wärmeübertrager für einen Abgasstrang
eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Wärmeübertrager
weist einen Strömungskanal für heißes
Abgas auf, der aus einem austenitischen Edelstahl hergestellt ist.
Mit dem Strömungskanal ist ein thermoelektrisches Modul
zur Generierung elektrischer Energie thermisch verbunden. Mit Hilfe
eines Metallbandes wird auf jedes thermoelektrisches Modul ein Passivkühler
gedrückt, wobei das thermoelektrische Modul zwischen dem
Strömungskanal und dem Passivkühler beweglich
ausgestaltet ist.
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Nachteilig
bei einem derartigen Wärmeübertrager ist, dass
ein hoher konstruktiver Aufwand betrieben werden muss, um eine Beschädigung
des thermoelektrischen Moduls, beispielsweise durch Wärmedehnungseffekte
des Strömungskanals zu vermeiden.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager
sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines
Fluids in elektrische Energie zu schaffen, mit deren Hilfe der konstruktive Aufwand
thermischer Energie in elektrische Energie zu wandeln, reduziert
werden kann.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch
einen Wärmeübertrager mit den Merkmalen des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie eines
Fluids in elektrische Energie mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben.
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Der
erfindungsgemäße Wärmeübertrager, der
insbesondere zur Umwandlung von thermischer Energie eines Fluids,
vorzugsweise Abgase eines Verbrennungsmotors, in elektrische Energie
verwendet werden kann, weist einen Strömungskanal zum Leiten
eines heißen Fluids auf. Mit dem Strömungskanal
ist mindestens ein thermoelektrisches Modul zur Generierung elektrischer
Energie thermisch verbunden. Erfindungsgemäß ist
der Strömungskanal aus einem keramischen Material hergestellt.
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Aufgrund
des keramischen Materials des Strömungsmaterials kann die
Wärmedehnung des Strömungskanals erheblich reduziert
werden, so dass konstruktiv aufwendige Konstruktionen zur Kompensation
von Wärmedehnungseffekten des Strömungskanals
nicht erforderlich sind. Eine hohe Belastung des thermoelektrischen
Moduls durch Schubspannungen, die durch die Wärmedehnung
an der heißen Seite des thermoelektrischen Moduls aufgeprägt
werden, kann zumindest verringert werden. Der konstruktive Aufwand
thermischer Energie in elektrische Energie zu wandeln, kann dadurch
reduziert werden. Als keramisches Material können insbesondere
gesinterte Materialien verwendet werden. Besonders bevorzugt werden
keramische Materialien mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit
verwendet, wie beispielsweise SiC, das eine Wärmeleitfähigkeit von
ca. 80 W/m2K aufweist und somit eine höhere Wärmeleitfähigkeit
als Edelstahl aufweist. Gleichzeitig weist der keramische Strömungskanal
eine hohe Robustheit gegen thermische und korrosive Beanspruchungen
auf, so dass eine hohe Lebensdauer des Wärmeübertragers
gewährleistet ist. Insbesondere kann der Strömungskanal
besonders einfach ausgebaut sein, beispielsweise als geometrischer Hohlzylinder,
so dass der keramische Strömungskanal aus Strangpressprofilen
hergestellt werden kann. Das thermoelektrische Modul ist insbesondere
sowohl radial innen als auch radial außen mit einem keramischen
Rohr verbunden, wobei eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand
des Strömungskanals ausbildet.
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Vorzugsweise
ist der Strömungskanal direkt mit dem thermoelektrischen
Modul verbunden, wobei das thermoelektrische Modul mit dem Strömungskanal,
insbesondere stoffschlüssig, insbesondere durch Löten
verbunden ist. Das thermoelektrische Modul kann eine Mehrzahl von
Halbleiterelementen, insbesondere P-Halbleiter und N-Halbleiter
aufweisen, wobei die P-Halbleiter und N-Halbleiter alternierend, das
heißt abwechselnd, angeordnet sind. Zwei benachbarte Halbleiter
können über eine Metallbrücke verbunden
werden, so dass eine Vielzahl von Halbleiterelementen in Reihe geschaltet
werden kann. Die Halbleiterelemente sind beispielsweise zwischen zwei
keramischen Scheiben eingespannt und können mit Hilfe einer
metallischen Hülle gekapselt werden. über die
metallische Hülle kann das thermoelektrische Modul besonders
einfach mit dem keramischen Strömungskanal stoffschlüssig,
insbesondere durch Löten, verbunden werden. Erforderlichenfalls kann
der keramische Strömungskanal vorher an der zu den thermoelektrischen
Modulen weisenden Fläche metallisiert werden, um die stoffschlüssige
Verbindung zu erleichtern. Durch den direkten Kontakt des thermoelektrischen
Moduls mit dem Strömungskanal werden weitere Funktionselemente
zwischen dem Strömungskanal und dem thermoelektrischen Modul
vermieden, so dass der Wärmeleitungswiderstand zwischen
dem heißen Fluid und dem thermoelektrischen Modul reduziert
werden kann.
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Insbesondere
ist der Strömungskanal derart ausgestaltet, dass der Strömungskanal
im Betrieb mit dem direkten Kontakt mit dem heißen Fluid
steht. Zusätzliche Funktionselemente zwischen dem heißen
Fluid und dem Strömungskanal werden dadurch vermieden,
so dass der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Strömungskanal
und dem heißen Fluid minimiert werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform weist das thermoelektrische
Modul mindestens ein Halbleiterelement auf, wobei das Halbleiterelement
direkt mit dem Strömungskanal verbunden ist, wobei insbesondere
das Halbleiterelement mit dem Strömungskanal stoffschlüssig,
insbesondere durch Löten, verbunden ist. Der keramische
Strömungskanal kann somit anstelle einer anderenfalls vorgesehen
keramischen Scheibe des Halbleiterelements verwendet werden. Die
kera mische Scheibe sowie eine metallische Hülle des thermoelektrischen
Moduls kann dadurch eingespart werden. Dadurch, dass die Halbleiterelemente
direkt mit dem keramischen Strömungskanal verbunden werden
können, wird der Wärmeleitungswiderstand zwischen
dem Strömungskanal und den Halbleiterelementen des thermoelektrischen
Moduls minimiert. Insbesondere können zwischen zwei benachbarten
Halbleiterelementen vorgesehene Metallbrücken für
eine stoffschlüssige Verbindung mit dem keramischen Strömungskanal
verwendet werden. Die Metallbrücken können somit
gleichzeitig als Lot einer Lotverbindung zwischen den Halbleiterelementen
und dem keramischen Strömungskanal verwendet werden. Die
Halbleiterelements sind insbesondere sowohl radial innen als auch
radial außen mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei
eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals
ausbildet. Besonders bevorzugt sind sämtliche Halbleiterelemente
des thermoelektrischen Moduls direkt mit dem Strömungskanal
verbunden. Dies führt zu einem homogeneren Aufbau, der
konstruktiv einfach zu gestalten ist und fertigungstechnisch einfach
umzusetzen ist.
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Vorzugsweise
ist das thermoelektrische Modul radial außen zum Strömungskanal
angeordnet. Der Strömungskanal kann somit radial innen
von dem heißen Fluid durchströmt werden, während
die thermoelektrischen Module radial außerhalb zum Strömungskanal
mit dem keramischen Strömungskanal verbunden werden können.
Dadurch ergibt sich für die thermoelektrischen Module eine
vergleichsweise große vom Strömungskanal wegweisende
Außenfläche, die zu einer verbesserten Kühlung
der thermoelektrischen Module führt. Es ist möglich, dass
bereits eine passive Kühlung, beispielsweise durch natürliche
Konvektion, ausreichend ist, um eine hinreichend große
Temperaturdifferenz für das thermoelektrische Modul zu
erreichen, welche zu einem entsprechend großen elektrischen
Strom des thermoelektrischen Moduls führt. Die Menge der
erzeugten elektrischen Energien des thermoelektrischen Moduls kann
dadurch vergrößert werden.
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Vorzugsweise
ist ein Kühlkanal zum Kühlen des mindestens einen
thermoelektrischen Moduls gesehen, wobei der Kanal thermisch mit
dem thermoelektrischen Modul kontaktiert ist. Durch den Kühlkanal
kann die vom Strömungskanal wegweisende Seite des thermoelektrischen
Moduls besonders stark gekühlt werden, wodurch sich eine
besonders große Temperaturdifferenz für das thermoelektri sche
Modul einstellt. Dies erhöht den von dem thermoelektrischen
Modul erzeugbaren Stromfluss. Als Kühlmedien des Kühlkanals
kann Umgebungsluft verwendet werden. Es ist auch möglich,
dass das heiße Fluid des Strömungskanals insbesondere
nach einer zusätzlichen Kühlung mit Hilfe eines
Kühlers als Kühlmedium des Kühlkanals
verwendet wird. Der Kühlkanal ist insbesondere derart ausgestaltet,
dass das Kühlmedium des Kühlkanals im Gegenstrom
zum heißen Fluid des Strömungskanals den Kühlkanal durchströmt.
Dadurch kann über die Länge des Strömungskanals
eine im Wesentlichen konstante Temperaturdifferenz für
die entlang des Strömungswegs angeordneten thermoelektrischen
Module oder Halbleiterelemente bereitgestellt werden. Dies führt
zu einer im Wesentlichen gleichmäßigen Stromerzeugung mit
Hilfe der thermoelektrischen Module entlang des Strömungswegs.
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Besonders
bevorzugt ist der Kühlkanal aus einem keramischen Material
hergestellt. Dadurch ergeben sich im Wesentlichen die gleichen Vorteile
wie vorstehend anhand des keramischen Strömungskanals erläutert.
Insbesondere kann der konstruktive Aufwand thermische Energie in
elektrische Energie zu wandeln, reduziert werden und der Wärmeleitungswiderstand
zwischen dem thermoelektrischem Modul und dem keramischen Kühlkanal
reduziert werden. Prinzipiell ist es ausreichend, wenn lediglich die
zum thermoelektrischen Modul weisende Seite des Strömungskanals
und/oder des Kühlkanals aus einem keramischen Material
hergestellt ist. Vorzugsweise sind sämtliche Begrenzungswände
in radialer Richtung des Strömungskanals und/oder des Kühlkanals
aus einem keramischen Material hergestellt. Dadurch ist es möglich,
vergleichbare Herstellungsverfahren für den Strömungskanal
und/oder den Kühlkanal zu verwenden, wodurch der Wärmeübertrager,
besser durch eine Massenfertigung hergestellt werden kann. Das thermoelektrische
Modul ist insbesondere sowohl radial innen als auch radial außen
mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei eines dieser keramischen
Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals und/oder eines
dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Kühlkanals
ausbildet.
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Besonders
bevorzugt ist der Kühlkanal direkt mit dem thermoelektrischen
Modul verbunden, wobei insbesondere das thermoelektrische Modul
mit dem Kühlkanal stoffschlüssig, insbesondere
durch Löten verbunden ist. Unnötige Wärmeleitungswiderstände zwischen
dem Kühlkanal und dem thermoelektrischen Modul können
dadurch vermieden werden.
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Besonders
bevorzugt weist das thermoelektrische Modul mindestens ein Halbleiterelement
auf, wobei das Halbleiterelement direkt mit dem Kühlkanal
verbunden ist, wobei insbesondere das Halbleiterelement mit dem
Kühlkanal stoffschlüssig, insbesondere durch Löten
verbunden ist. Der Kühlkanal kann somit direkt mit den
Halbleiterelementen des thermoelektrischen Moduls verbunden werden,
wodurch der Wärmeleitungswiderstand zwischen dem Kühlkanal
und den Halbleiterelementen weiter reduziert ist. Gleichzeitig können
Metallbrücken zwischen benachbarten Halbleiterelementen
als Lot für die stoffschlüssige Verbindung der
Halbleiterelemente mit dem Kühlkanal verwendet werden.
Die Halbleiterelemente sind insbesondere sowohl radial innen als auch
radial außen mit einem keramischen Rohr verbunden, wobei
eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Strömungskanals
und/oder eines dieser keramischen Rohre eine Kanalwand des Kühlkanals
ausbildet. Insbesondere sind sämtliche Halbleiterelemente
des thermoelektrischen Moduls direkt mit dem Strömungskanal
verbunden.
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Vorzugsweise
ist der Kühlkanal im Wesentlichen koaxial zum Strömungskanal
angeordnet. Durch die koaxiale Anordnung ergibt sich zwischen dem
Strömungskanal und dem Kühlkanal ein ringförmiger
Spalt, in den das mindestens eine thermoelektrische Modul eingesetzt
werden kann.
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Insbesondere
ist der Kühlkanal und/oder der Strömungskanal
im Wesentlichen ringförmig ausgestaltet. Durch den ringförmigen
Aufbau ist es möglich, für den Volumenstrom des
Strömungskanals und/oder des Kühlkanals eine vergleichsweiße
große Oberfläche bereitzustellen, die jeweils
zum thermoelektrischen Modul weist. Dadurch kann die Heizleistung
des heißen Fluids des Strömungskanals und/oder
die Kühlleistung des Kühlmediums des Kühlkanals
vergrößert werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner einen Abgasstrang für eine Brennkraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs, wobei der Abgasstrang einen Wärmeübertrager
aufweist, der wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet
sein kann. Der Strömungskanal des Wärmeübertragers
ist von Abgas der Brennkraftmaschine durchströmbar. Insbesondere
weist der Strömungskanal im Bereich der thermoelektrischen Module
einen Katalysator zur Behandlung der Abgase auf, so dass zusätzlich
die exotherme Energie des Katalysators von dem thermoelektrischen
Modulen ge nutzt werden kann. Die von den thermoelektrischen Modulen
erzeugte elektrische Energie kann insbesondere verwendet werden,
um eine Bordelektronik des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie
zu versorgen und/oder eine Autobatterie aufzuladen. Durch den verbesserten
Aufbau des zu verwendenden Wärmeübertragers kann
der konstruktive Aufwand thermische Energien in elektrische Energie
zu wandeln, reduziert werden.
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Die
Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer
Energie eines Fluids in elektrische Energie, bei dem insbesondere
mit Hilfe eines Wärmeübertragers, der wie vorstehend
beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, mindestens ein thermoelektrisches
Modul zur Generierung elektrischer Energien nur über einen
aus einem keramischen Material hergestellten Strömungskanal
zum Leiten eines heißen Fluids mit dem heißen
Fluid thermisch verbunden ist. Aufgrund des keramischen Strömungskanals
können Wärmedehnungseffekte des Strömungskanals
reduziert werden, so dass der konstruktive Aufwand thermische Energie
in elektrische Energie zu wandeln, reduziert werden kann. Vorzugsweise
werden die verwendeten keramischen Materialien durch Strangpressen
hergestellt. Hierbei können insbesondere in ihrer Länge überdimensionierte
Strangpressprofile hergestellt werden, die auf die jeweilige benötigte
Länge abgeschnitten werden können. Dadurch ist
möglich, aus einem einzelnen überdimensionierten
Strangpressprofil mehrere Strömungskanäle und/oder
Kühlkanäle herzustellen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen
anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers
in einer ersten Ausführungsform;
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2 eine
schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers
in einer zweiten Ausführungsform und
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3 eine
schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers
in einer dritten Ausführungsform.
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Der
in 1 dargestellte Wärmeübertrager 10 weist
einen keramischen Strömungskanal 12 auf, der in
einer Strömungsrichtung 14 von einem heißen Fluid,
beispielsweise Abgas einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs
durchströmt wird. Mit dem keramischen Strömungskanal 12 ist
ein thermoelektrisches Modul 16 verbunden, das in dargestellten Ausführungsbeispielen
eine metallische Hülle 18 aufweist.
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Innerhalb
der metallischen Hülle 18 sind mehrere Halbleiterelemente 20 angeordnet,
die zwischen zwei Keramikscheiben 22 eingespannt sind. Die
vom keramischen Strömungskanal 12 weg weisende
Seite der thermoelektrischen Module 16 wird durch einen
ringförmigen Kühlkanal 24 gekühlt.
Der Kühlkanal 24 wird von einem Kühlmedium
in einer Kühlrichtung 26 im Gegenstrom zur Strömungsrichtung 14 des
Strömungskanals 12 durchströmt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Wärmeübertrager 10 sind
bei dem thermoelektrischen Modul 16 im Vergleich zu 1 die
metallische Hülle 18 und die keramischen Scheiben 22 weggelassen
worden, so dass die Halbleiterelemente 20 direkt mit dem
keramischen Strömungskanal 12, beispielsweise
durch Löten, verbunden sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die Halbleiterelemente 20 beidseitig mit einem durchgängigen
keramischen Kanal 28 verbunden, wobei im dargestellten
Ausführungsbeispiel der innere keramische Kanal durch den
keramischen Strömungskanal 12 ausgebildet ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der äußere
keramische Kanal 28 in direktem Kontakt mit dem Kühlkanal 24,
der im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem metallischen
Material ausgebildet sein kann.
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Bei
der in 3 dargestellten Ausführungsform des Wärmeübertragers 3 ist
im Vergleich zu der in 3 dargestellten Ausführungsform
der Kühlkanal 24 vollständig aus einem
keramischen Material hergestellt. Der im dargestellten Ausführungsbeispiel ringförmige
Kühlkanal 24 weist somit sowohl einen zum thermoelektrischen
Modul 16 weisende keramische Innenwand und eine vom thermoelektrischen Modul 16 wegweisende
keramische Außenwand auf. Es ist aber auch möglich,
dass der Kühlkanal 24 und/oder der Strömungskanal 12 nur
an der zum thermoelektrischen Modul 16 weisenden Seite
aus einem keramischen Material hergestellt ist, während eine
von thermoelektrischen Modul 16 weg weisen de Seite des
Kühlkanals 24 und/oder des Strömungskanals 12,
sofern vorhanden, aus einem anderen Material, beispielsweise Metall,
hergestellt sein kann. Der keramische Kühlkanal 24 kann
im dargestellten Ausführungsbeispiel direkt mit den Halbleiterelementen 20 der
thermoelektrischen Module 16 verlötet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0172993
A1 [0002]