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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Vorrichtung
aufweisend zumindest eine Abgasleitung mit einem Eintritt und einem
Austritt für
das Abgas. Die thermoelektrische Vorrichtung dient insbesondere
zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine.
Solche thermoelektrischen Vorrichtungen sind auch als thermoelektrische
Generatoren (TEG) bekannt.
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Das
Abgas aus der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs besitzt
thermische Energie, welche mittels einer solchen thermoelektrischen Vorrichtung
in elektrische Energie umgewandelt werden kann, um beispielsweise
einen Energiespeicher zu füllen
und/oder einem elektrischen Verbraucher die benötigte Energie direkt zuzuführen. Somit
wird das Kraftfahrzeug mit einem besseren energetischen Wirkungsgrad
betrieben, und es steht für
den Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
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Eine
solche thermoelektrische Vorrichtung weist zumindest eine Mehrzahl
thermoelektrischer Wandlerelemente auf. Thermoelektrische Materialien hierfür sind von
der Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie
umwandeln können
(Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Der „Seebeck-Effekt” basiert
auf dem Phänomen
der Umwandlung von Wärmeenergie
in elektrische Energie und wird zur Erzeugung thermoelektrischer
Energie genutzt. Der „Peltier-Effekt” ist die
Umkehrung des „Seeheck-Effekts” und ein
Phänomen,
welches mit Wärmeadsorption
einhergeht und in Relation zu einem Stromfluss durch unterschiedliche
Materialien verursacht wird. Beide Effekte sind bekannt, so dass hier
keine ausführlichere
Beschreibung erforderlich ist.
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Solche
thermoelektrischen Wandlerelemente weisen bevorzugt eine Vielzahl
von thermoelektrischen Elementen auf, die zwischen einer so genannten
Heißseite
(hier treten während
des Betriebes hohe Temperaturen auf) und einer so genannten Kaltseite
(hier treten während
des Betriebes vergleichsweise niedrige Temperaturen auf) positioniert sind.
Thermoelektrische Elemente umfassen wenigstens zwei Halbleiterelemente
(p-dotiert und n-dotiert), die auf ihrer Oberseite und Unterseite
(hin zur Heißseite
bzw. Kaltseite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brücken versehen
sind. Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche
Materialien dienen zur Isolierung der Metallbrücken und sind somit bevorzugt
zwischen den Metallbrücken
angeordnet. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterelemente
bereitgestellt, so bildet sich ein Spannungspotential aus. Auf der
Heißseite
des ersten Halbleiterelements wird dabei Wärme aufgenommen, wobei die
Elektronen der einen Seite auf das energetisch höher liegende Leitungsband des
folgenden Halbleiterelements gelangen. Auf der Kaltseite können die
Elektronen nun Energie freisetzen und auf dem folgenden Halbleiterelement
mit niedrigem Energieniveau gelangen. Somit kann sich bei einem entsprechenden
Temperaturgefälle
zwischen der Heißseite
und der Kaltseite ein elektrischer Stromfluss einstellen.
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Ein
potentieller Einsatzort für
eine solche thermoelektrische Vorrichtung ist ein Abgasrückführsystem
(AGR bzw. EGR: exhaust gas recirculation) bei einem Kraftfahrzeug.
Dabei wird ein Teil des Abgases, das in der Verbrennungskraftmaschine
erzeugt wird, zunächst
dem üblichen
Abgassystem zugeleitet, dann jedoch abgezweigt und wieder der Verbrennungskraftmaschine
zugeführt.
Im Hinblick auf die Effektivität
der Verbrennungskraftmaschine und der Reduktion von Schadstoffen
im Abgas ist es üblich,
das zurückgeführte Abgas
zu kühlen.
Deshalb sind im Bereich des Abgasrückführungssystems üblicherweise
Wärmetauscher
vorgesehen, mit denen das heiße
Abgas abgekühlt
wird. Gerade hier müssen
jedoch besondere Anforderungen an eine solche thermoelektrische
Vorrichtung gestellt werden, weil üblicherweise nur ein sehr geringes
Platzangebot zur Verfügung
steht. Dies führt
zu der Schwierigkeit, dass für
die thermoelektrischen Wandlerelemente ein besonders guter Wärmeübergang
realisiert werden muss, gleichzeitig aber auch die gewünschte Kühlung erreicht
wird.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug
auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu
lösen.
Insbesondere soll eine thermoelektrische Vorrichtung angegeben werden,
die einen hohen Wirkungsgrad hat und insbesondere auch eine ausreichende
Kühlung
des zurückgeführten Abgases
gewährleistet.
Hierfür
soll auch ein besonders geeignetes Betriebsverfahren angegeben werden.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
mit einer thermoelektrischen Vorrichtung gemäß des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie geeignete
Betriebsverfahren und Einsatzgebiete werden in den abhängig formulierten
Patentansprüchen
angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln
aufgeführten
Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander
kombiniert werden können
und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung,
insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die
Erfindung weiter und führt
ergänzende
Ausführungsbeispiele
der Erfindung an.
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Die
erfindungsgemäße thermoelektrische Vorrichtung
weist zumindest eine Abgasleitung mit einem Eintritt und einem Austritt
auf, wobei
- – zumindest ein erstes Rohrbündel ein
thermoelektrisches Generator-Modul ist und die Abgasleitung im thermoelektrischen
Generator-Modul durch die äußeren Oberflächen der
Rohre gebildet ist, und
- – zumindest
ein weiteres Rohrbündel
ein Wärmetauscher
ist und die Abgasleitung im Wärmetauscher
durch die Innenflächen
der Rohre gebildet ist.
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Demnach
zeichnet diese thermoelektrische Vorrichtung mit anderen Worten
insbesondere durch die Führung
des Abgases an dem Rohrbündel
vorbei bzw. durch das Rohrbündel
hindurch aus. Bevorzugt ist dabei, dass die thermoelektrische Vorrichtung mehrere
Module aufweist, die beispielsweise auch durch entsprechende Befestigungsstücke miteinander
verbunden sind. Die Abgasleitung kann somit einerseits bei einem
Modul durch ein äußeres Gehäuse und
die äußeren Oberflächen der
Rohre gebildet sein, während
sie in einem anderen Modul allein durch die Innenfläche der
Rohre gebildet ist. Somit kann insbesondere die Anzahl der Abgasleitungen bzw.
deren Gestalt in den unterschiedlichen Modulen unterschiedlich sein.
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Das
erste Rohrbündel,
das insbesondere nachfolgend dem Eintritt der Abgaseinleitung in
die thermoelektrische Vorrichtung ausgebildet ist, ist ein thermoelektrisches
Generator-Modul. Das heißt
mit anderen Worten, dass dieses erste Rohrbündel mit den eingangs erläuterten
Halbleiterelementen ausgeführt
ist, um elektrische Energie zu erzeugen. Dabei wird das Abgas außen über das
erste Rohrbündel entlang
geführt,
so dass ein guter Wärmeübergang von
dem heißen
Abgas auf die Rohre ermöglicht
ist, also insbesondere eine gleichmäßige Einströmung des Abgases in das erste
Rohrbündel
realisiert ist. Gegebenenfalls können
hier auch Maßnahmen
für einen
verbesserten Wärmeübergang
vorgesehen sein. Durch die großflächige Umströmung des
heißen
Abgases an den Rohren vorbei wird eine gute Wärmeeinbringung in die Rohre
des ersten Rohrbündels
realisiert. Die Rohre sind bei einem thermoelektrischen Generator-Modul
innen mit einem Kühlmittel durchströmt, so dass
im Betrieb das für
den „Seeheck-Effekt” erforderliche
Temperaturgefälle
zwischen der äußeren Oberfläche der
Rohre und der Innenfläche
der Rohre ausgeprägt
ist. Zwischen dieser äußeren Oberfläche der
Rohre und den Innenflächen der
Rohre sind die Halbleiterelemente angeordnet. Damit ist klar, dass
das erste Rohrbündel
selbstverständlich
auch die Funktion eines Wärmetauschers erfüllt, gleichzeitig
bzw. vorrangig aber auch thermoelektrische Funktionen erfüllt.
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Nachdem
nun das Abgas entlang der Abgasleitung zunächst das erste Rohrbündel überströmt hat,
wird es schließlich
einem weiteren Rohrbündel zugeführt, das
(nur) einen Wärmetauscher
bildet. Hierbei ist die Abgasleitung durch die Innenflächen der
Rohre gebildet, das heißt
mit anderen Worten, dass das Abgas nun durch die Rohre selbst hindurchgeführt wird.
In diesem Fall überströmt bzw.
umströmt
das Kühlmittel
die Rohre des Wärmetauschers,
so dass hier eine besonders effektive Kühlung des Abgases möglich ist,
weil das Kühlmittel über die
großen äußeren Oberflächen der
Rohre die thermische Energie abführen
kann.
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Nur
der Vollständigkeit
halber sei hier darauf hingewiesen, dass die Begriffe „Rohrbündel” und „Rohre” nicht
zwingend mit zylindrischen Rohren gebildet sein müssen. Insbesondere
kann jeder beliebige Strömungsquerschnitt
realisiert sein, die Rohre können
auch teilweise in einer gemeinsamen Wandung ausgeführt sein.
Unter „Rohrbündel” wird insbesondere
eine Kanalansammlung verstanden, die eine äußere Kanalwand und eine innere
Kanalwand aufweist, wobei die äußere Kanalwand
größer als
die innere Kanalwand ist. Solche Rohrbündel können demnach auch als Wabenstruktur,
Steckanordnung und ähnliches
ausgeprägt
sein.
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Jedenfalls
wird durch die Umströmung
des Abgases durch das thermoelektrische Generator-Modul einerseits
und die Durchströmung
in dem Wärmetauscher
andererseits ein besonders guter Wärmeübergang entweder vom Abgas
hin zu den thermoelektrischen Wandlerelementen oder vom Kühlmittel
hin zum Abgas realisiert, so dass beide Module besonders effektiv
arbeiten und daher mit einem relativ kleinen Volumen ausgeführt sein
können. Dies
kommt der Forderung entgegen, eine platzsparende thermoelektrische
Vorrichtung zu realisieren.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung wird auch vorgeschlagen, dass mindestens
zwei Rohrbündel
ein thermoelektrisches Generator-Modul und ein einzelnes Rohrbündel am
Austritt als Wärmetauscher
ausgebildet sind. Demnach überströmt das Abgas
nach dem Eintritt in die thermoelektrische Vorrichtung zunächst ein
erstes Rohrbündel
nach Art eines thermoelektrischen Generator-Moduls, dann ein zweites
Rohrbündel
nach Art eines thermoelektrisches Generator-Moduls und schließlich ein
drittes Rohrbündel
nach Art eines Wärmetauschers,
bevor es schließlich über den
Austritt die thermoelektrische Vorrichtung verlasst. Eine solche
thermoelektrische Vorrichtung eröffnet
die Möglichkeit,
die beiden thermoelektrischen Generator-Module getrennt bzw. voneinander
verschieden auf die unterschiedlichen Abgastemperaturen nach Eintritt
in die thermoelektrische Vorrichtung abzustimmen, wobei beispielsweise
unterschiedliche Rohrbündel,
Halbleiterelemente etc. eingesetzt werden können. Mit dem nachgeschalteten
Wärmetauscher
wird dann das Abgas sehr schnell auf die für die Abgasrückführung hin
zur Verbrennungskraftmaschine erforderliche tiefe Temperatur gebracht.
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Darüber hinaus
wird als vorteilhaft angesehen, dass ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf
für die
Rohrbündel
vorgesehen ist, wobei ein Anschluss des Kühlmittelkreislaufs mit dem
Rohrbündel,
das einen Wärmetauscher
bildet, verbunden ist und ein Abfluss des Kühlmittelkreislaufs mit mindestens
einem Rohrbündel,
das ein thermoelektrisches Generator-Modul bildet, verbunden ist.
Dieser Kühlmittelkreislauf
kann auch Teil der Motorkühlung
sein bzw. mit dieser verbunden sein. Bevorzugt wird mit dem Kühlmittelkreislauf
bezüglich
der gesamten thermoelektrischen Vorrichtung eine Art Gegenstrom-Prinzip verwirklicht,
so dass das kalte Kühlmittel
im Bereich des Austritts zugeführt
und im Bereich des Eintritts wieder abgeführt wird. Für die einzelnen Module gilt insbesondere,
dass hier eine Kühlung
nach dem Kreuzstrom-Prinzip stattfindet, also innerhalb der Module
Abgas und Kühlmittel
senkrecht zueinander strömen.
Es ist gerade bei dem Einsatz mehrerer Rohrbündel als thermoelektrisches
Generator-Modul möglich,
dass allen Rohrbündeln
gleichermaßen, also
parallel, Kühlmittel
zugeführt
wird, das dann gegebenenfalls auch gleichermaßen, also parallel, wieder
abgezogen wird. Grundsätzlich
ist auch möglich, dass
zumindest eine Bypass-Leitung und/oder ein Steuerungsmittel vorgesehen
ist, um wenigstens eines der Rohrbündel vom Kühlmittelkreislauf abzutrennen,
wobei dies beispielsweise für
den Wärmetauscher
gilt, wenn erkannt wird, dass eine zusätzliche Kühlung am Austritt der thermoelektrischen
Vorrichtung nicht mehr erforderlich ist. Als Kühlmittel kommt insbesondere
Wasser in Betracht.
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Es
wurde als vorteilhaft herausgefunden, dass bei der thermoelektrischen
Vorrichtung zumindest eine Anzahl der Rohre oder ein Innendurchmesser
der Rohre eines Rohrbündels,
das ein thermoelektrisches Generator-Modul bildet, kleiner ist im
Vergleich zu der Anzahl des Innendurchmessers der Rohre eines Rohrbündels, das
einen Wärmetauscher bildet.
Das heißt
mit anderen Worten auch, dass die Anzahl der Rohre und/oder der
Innendurchmesser der Rohre im thermoelektrischen Generator-Modul kleiner
ist als beim Wärmetauscher.
Auch diese Ausgestaltung der Rohre begünstigt die unterschiedlichen
Wärmeübergangseffekte
einerseits vom Kühlmittel
hin zum Abgas sowie vom Abgas hin zu den thermoelektrischen Wandlerelementen.
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Die
Anzahl der Rohre im thermoelektrischen Generator-Modul beträgt beispielsweise
zwischen 5 und 30, insbesondere zwischen 12 und 24. Dabei ist hier
gleichermaßen
ein Innendurchmesser im Bereich von 5 bis 15 mm [Millimeter] bevorzugt.
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Demgegenüber hat
sich eine Gestaltung des Wärmetauschers
als vorteilhaft herausgestellt, wenn dort die Anzahl der Rohre im
Bereich von 10 bis 60 liegt (insbesondere größer als im thermoelektrischen Generator-Modul
ist, beispielsweise besonders bevorzugt mindestens doppelt so viele
oder sogar mindestens 30 Rohre umfasst), wobei der Innendurchmesser
der Rohre bevorzugt 8 bis 20 mm beträgt.
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Die
Reduzierung des Innendurchmessers der Rohre im thermoelektrischen
Generator-Modul erhöht
in vorteilhafter Weise den Wärmeübertragungskoeffizienten α [alfa] beim
innen stattfindendem Wärmeübergang.
Die Reduzierung der Rohranzahl erhöht bei gleichbleibendem Rohrdurchmesser auch
den Wärmeübertragungskoeffizienten α innen. Der
Wärmeübergangskoeffizient α beschreibt
hierbei die Fähigkeit
des Gases oder der Flüssigkeit,
Energie von der Oberfläche
des Rohres abzuführen
bzw. an die Oberfläche
abzugeben. Sie hängt
unter anderem von der spezifischen Wärmekapazität, der Dichte und dem Wärmeleitkoeffizienten
des wärmeabführenden
sowie des wärmeliefernden
Mediums ab. Die Berechnung des Koeffizienten für Wärmeleitung erfolgt meist über den
Temperaturunterschied der beteiligten Medien. Der Wärmeübergangskoeffizient α ist, im
Gegensatz zur Wärmeleitfähigkeit,
keine Materialkonstante, sondern – im Falle einer Umgebung – stark
abhängig
von der Strömungsgeschwindigkeit bzw.
der Art der Strömung
(laminar oder turbulent) des die Rohre kontaktierenden Fluids. Somit
beziehen sich die vorstehenden Werte insbesondere auf Vorrichtungen,
wie sie bei Kraftfahrzeugen eingesetzt werden sollen, wobei gleichermaßen ein
unerwünscht
hoher Druckverlust des die Vorrichtung durchströmenden Abgases vermieden wird.
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Gemäß noch einer
Weiterbildung der thermoelektrischen Vorrichtung weisen die Rohre
der Rohrbündel,
die ein thermoelektrisches Generator-Modul bilden, eine andere Orientierung
zu einer Strömungsrichtung
des Abgases auf als die Rohre der Rohrbündel, die einen Wärmetauscher
bilden. Bevorzugt ergibt sich damit also eine Anordnung der Rohrbündel, bei
der die Strömungsrichtung
des Abgases durch die thermoelektrische Vorrichtung gleich bleibt.
Während
in den Abschnitten mit den thermoelektrischen Generator-Modulen
die Rohre senkrecht zur Strömungsrichtung
orientiert sind und das Abgas dort über die äußeren Oberflächen der
Rohre bzw. zwischen den Rohren hindurch geführt wird, tritt das Abgas im
Abschnitt mit dem Wärmetauscher
in die Rohre der Rohrbündel
ein, die dann parallel zur Strömungsrichtung
des Abgases orientiert sind. Damit kann insbesondere der Druckverlust
für das
Abgas beim Durchströmen
der thermoelektrischen Vorrichtung gering gehalten werden.
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Für den Betrieb
einer hier erfindungsgemäß beschriebenen
thermoelektrischen Vorrichtung wird als bevorzugt angesehen, dass
heißes
Abgas zunächst
außen
an einer Mehrzahl von Rohrbündeln, die
ein Generator-Modul bilden, vorbeigeführt und danach durch die Rohre
eines Rohrbündels,
das einen Wärmetauscher
bildet, hindurchgeführt
wird. Somit erfolgt einerseits ein Umströmen der das Kühlmittel
führenden
Rohre durch das Abgas bei den Generator-Modulen und anschließend ein
Umströmen
der Rohre durch das Kühlmittel,
bei denen das Abgas hindurchgeführt
wird. Dieses Strömungsverhalten führt zu einem
besonders guten Wärmeübergang und
steigert somit den Wirkungsgrad als Generator-Modul bzw. Wärmetauscher.
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Bei
diesem Verfahren wird als besonders vorteilhaft angesehen, dass
ein Kühlmittefluss
durch ein Rohrbündel,
das als Wärmetauscher
ausgebildet ist, variiert wird. Der Kühlmittelfluss durch den Wärmetauscher
kann folglich auch geregelt werden, insbesondere in Abhängigkeit
von der Rückführrate des zurückgeführten Abgases,
der Temperatur des Abgases, dem Lastzustand des Motors, der Temperatur des
Motors etc. Wird erkannt, dass die Abkühlung des Abgases über die
Generator-Module bereits ausreichend ist, kann der Kühlmittelfluss
durch den Wärmetauscher
auch vollständig
unterbrochen sein.
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Ganz
besonders bevorzugt findet die Erfindung Anwendung in einem Kraftfahrzeug
aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine und ein Abgassystem, wobei das
Abgassystem ein Abgasrückführsystem
hat zur Rückführung von
Abgas hin zur Verbrennungskraftmaschine, wobei das Abgasrückführsystem
eine hier erfindungsgemäß beschriebene
thermoelektrische Vorrichtung umfasst.
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Die
Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand
der Figuren näher
erläutert.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele
die Erfindung nicht beschränken
und schematischer Natur sind. Es zeigen demnach:
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1:
eine Ausführungsvariante
einer thermoelektrischen Vorrichtung,
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2:
ein Detail einer Ausführungsvariante eines
Rohres eines thermoelektrischen Generator-Moduls, und
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3:
ein Kraftfahrzeug mit einer thermoelektrischen Vorrichtung im Abgasrückführsystem.
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1 zeigt
schematisch und teilweise perspektivisch eine Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen thermoelektrischen
Vorrichtung 1. Ebenso schematisch angedeutet ist hier die
Abgasleitung 2, die sich durch die thermoelektrische Vorrichtung 1 hindurch
erstreckt, wobei oben rechts der Eintritt 3 und unten links
der Austritt 4 gebildet ist. In dieser Abgasleitung 2 sind
nun mehrere Rohrbündel
in einem Gehäuse 31 angeordnet,
wobei auch das Gehäuse 31 zumindest
im Bereich der ersten Rohrbündel
die Abgasleitung 2 begrenzt. Zum Gehäuse 31 sei noch angemerkt,
dass dieses bevorzugt mit wenigstens einem Kompensationselement
ausgeführt ist,
um die thermischen Dehnungen der Rohre bzw. der Anschlüsse auszugleichen.
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Das
Abgas strömt
nun durch den Eintritt 3 mit der Strömungsrichtung 17 in
die thermoelektrische Vorrichtung 1 ein. Dabei trifft es
auf ein erstes Rohrbündel 5 mit
einer Vielzahl von Rohren 8, die quer bzw. senkrecht zur
Strömungsrichtung 17 des
Abgases angeordnet sind. Das Abgas wird somit über die äußeren Oberflächen 7 der
Rohre 8 geleitet, wobei durch eine entsprechend geeignete
Anströmung
ein gleichmäßiges Überströmen bzw.
Vorbeiströmen bzw.
Zwischendurchströmen
der Rohre 8 im ersten Rohrbündel 5 realisiert
ist. Nachdem das Abgas nun das erste Rohrbündel 5 durchströmt hat,
folgt ein zweites Rohrbündel 9,
das ebenfalls eine Vielzahl von Rohren 8 aufweist. Das
erste Rohrbündel 5 und das
zweite Rohrbündel 9 weisen
im Wesentlichen dieselbe Orientierung zur Strömungsrichtung 17 auf und
werden gleichermaßen
vom Abgas umströmt. Die
Anzahl der Rohre 8 bzw. deren Position zur Strömungsrichtung 17 und/oder
deren Gestalt bezogen auf das erste Rohrbündel 5 und das zweite
Rohrbündel 9 kann
verschieden sein, jedenfalls sind diese jedoch als thermoelektrische
Generator-Module 6 ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass
mittels dieser beiden Generator-Module 6 Energien
gewonnen und geeignete elektrische Anschlüsse vom Gehäuse 31 weggeführt werden.
Deshalb weisen die Rohre 8 entsprechende Halbleiterelemente
auf, wie dies nachfolgend im Zusammenhang mit 2 näher erläutert wird.
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Nachdem
das Abgas das zweite Rohrbündel 9 verlassen
hat, trifft es auf ein drittes Rohrbündel 10, das wiederum
eine Vielzahl von Rohren 8 aufweist. Hierbei sind nun die
Rohre 8 parallel zur Strömungsrichtung 17 des
Abgases ausgerichtet, so dass das Abgas (nur) in die Rohre 8 eintreten
kann und schließlich
auf der gegenüberliegenden
Seite nahe dem Austritt 4 der thermoelektrischen Vorrichtung 1 austritt.
Dabei wird das Abgas innen über
die Innenflächen 12 der
Rohre 8 geführt.
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Zudem
ist in 1 veranschaulicht, wie ein vorteilhafter Kühlmittelkreislauf 13 ausgebildet
sein kann. Das Kühlmittel
strömt
dabei über
einen Anschluss 14 zunächst über das
dritte Rohrbündel 10, wobei
hier nur ein Wärmeaustausch
erfolgen soll, mit dem Ziel, dass innen hindurch geführte Abgas
auf eine gewünschte
Temperatur abzukühlen.
Nachdem das Kühlmittel
den Wärmetauscher 11 durchströmt hat,
wird dieses umgelenkt und dann der Förderrichtung 24 folgend
parallel in alle Rohre 8 des ersten Rohrbündels 5 und
des zweiten Rohrbündels 9 innen hindurchgeführt. Auch
hier wird das Kühlmittel
auf der gegenüberliegenden
Seite wieder zusammengeführt
und über
einen Abfluss 15 rückgeführt, bevor
es selbst beispielsweise über
einen Kühler
auf eine niedrige Temperatur gebracht wird.
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2 veranschaulicht
nun einen möglichen Aufbau
eines Rohres 8 für
ein thermoelektrisches Generator-Modul 6. Wie bereits zuvor
erläutert,
bildet das Rohr 8 eine äußere Oberfläche 7,
an der das Abgas mit der Strömungsrichtung 17 entlang
geführt wird.
Die äußere Oberfläche 7 wird
hier mit einem Außenmantel 27 gebildet.
Das Rohr 8 weist zudem konzentrisch zum Außenmantel 27 einen
Innenmantel 26 auf, der die Innenfläche 12 des Rohres
ausbildet. Durch diesen Innenmantel 26 mit einem Innendurchmesser 16 wird
das Kühlmittel
mit der Förderrichtung 24 hindurchgeführt. Durch
diesen Aufbau wird ein ringförmiger
Zwischenraum 29 gebildet, in dem nun die Halbleiterelemente 25 angeordnet
sind. Stirnseitig ist der Zwischenraum 29 beispielsweise
mit einem Verschluss 28 versehen, wie beispielsweise einer Dichtmasse
oder dergleichen, um einen Eintritt von Abgas und/oder Kühlmittel
zu unterbinden. Die Halbleiterelemente 25 (wobei hier die
n-dotierten und p-dotierten Halbleiterelemente 25 mit unterschiedlichen
Schraffierungen gekennzeichnet sind) sind auf einer dünnen elektrischen
Isolationsschicht angeordnet, die gleichwohl einen guten Wärmeübergang
vom Außenmantel 27 hin
zu den Halbleiterelementen 25 ermöglicht, ebenso wie vom Innenmantel 26 hin
zu den Halbleiterelementen 25. Somit ist ein besonders großes Temperaturgefälle bezüglich der
Halbleiterelemente 25 innen und außen einstellbar. Wie hier angedeutet,
sind die verschiedenen Halbleiterelemente 25 paarweise
gegenüberliegend über elektrische Kontakte 30 definiert,
verbunden. Während
des Betriebes stellt sich so aufgrund des Temperaturgefälles ein
Stromfluss ein, wobei die gewonnene Energie aus der thermoelektrischen
Vorrichtung 1 abgezogen und gewünschten Verbrauchern und/oder
Speichern zugeführt
werden kann.
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3 veranschaulicht
nun noch einmal schematisch den prinzipiellen Aufbau eines Kraftfahrzeugs 18 mit
einer Verbrennungskraftmaschine 19, in der Abgas produziert
wird. Das Abgas wird einem Abgassystem 20 zugeführt, das
beispielsweise mehrere Katalysatoren 22 zur Beseitigung
von Schadstoffen, Partikeln und dergleichen aufweist. Hier dargestellt
ist ein Kraftfahrzeug 18, das einen Abgas-Turbolader 23 aufweist.
Zwischen der Verbrennungskraftmaschine 19 und dem Turbolader 23 ist
ein Abgasrückführsystem 21 vorgesehen,
in dem eine thermoelektrische Vorrichtung 1 integriert
ist. Dies stellt den besonders bevorzugten Einsatzort für die hier
beschriebene thermoelektrische Vorrichtung 1 dar, weil
hier insbesondere aufgrund der hohen Wirksamkeit der thermoelektrischen
Vorrichtung 1 eine kompakte und platzsparende Integration
der thermoelektrischen Vorrichtung 1 ermöglicht wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- thermoelektrische
Vorrichtung
- 2
- Abgasleitung
- 3
- Eintritt
- 4
- Austritt
- 5
- erstes
Rohrbündel
- 6
- Generator-Modul
- 7
- äußere Oberfläche
- 8
- Rohr
- 9
- zweites
Rohrbündel
- 10
- drittes
Rohrbündel
- 11
- Wärmetauscher
- 12
- Innenflächen
- 13
- Kühlmittelkreislauf
- 14
- Anschluss
- 15
- Abfluss
- 16
- Innendurchmesser
- 17
- Strömungsrichtung
- 18
- Kraftfahrzeug
- 19
- Verbrennungskraftmaschine
- 20
- Abgassystem
- 21
- Abgasrückführsystem
- 22
- Katalysator
- 23
- Turbolader
- 24
- Förderrichtung
- 25
- Halbleiterelement
- 26
- Innenmantel
- 27
- Außenmantel
- 28
- Verschluss
- 29
- Zwischenraum
- 30
- Kontakt
- 31
- Gehäuse
