DE102009048192A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme - Google Patents

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme Download PDF

Info

Publication number
DE102009048192A1
DE102009048192A1 DE102009048192A DE102009048192A DE102009048192A1 DE 102009048192 A1 DE102009048192 A1 DE 102009048192A1 DE 102009048192 A DE102009048192 A DE 102009048192A DE 102009048192 A DE102009048192 A DE 102009048192A DE 102009048192 A1 DE102009048192 A1 DE 102009048192A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
heat
thermoelectric generator
heat source
fluid
channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102009048192A
Other languages
English (en)
Inventor
Jürgen Dipl.-Ing. Maue
Josef Martin Dipl.-Ing. Mercz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102009048192A priority Critical patent/DE102009048192A1/de
Priority to PCT/EP2010/004661 priority patent/WO2011042080A1/de
Publication of DE102009048192A1 publication Critical patent/DE102009048192A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat
    • F01N5/025—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting from exhaust energy the devices using heat the device being thermoelectric generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/02—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2240/00—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being
    • F01N2240/04—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being an electric, e.g. electrostatic, device other than a heater
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2490/00—Structure, disposition or shape of gas-chambers
    • F01N2490/16—Chambers with particular shapes, e.g. spherical
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2490/00—Structure, disposition or shape of gas-chambers
    • F01N2490/18—Dimensional characteristics of gas chambers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine von einem Fluid (F1) durchströmbare Wärmequelle (2), welche zumindest einen Kanal (K) zur Führung des Fluids (F1) und zur Übertragung der Wärme des Fluids (F1) aufweist, umfassend eine Wärmesenke (3) und einen mit der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) thermisch gekoppelten thermoelektrischen Generator (1), wobei mittels des thermoelektrischen Generators (1) aus einem Temperaturgefälle (ΔT) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) die elektrische Energie erzeugbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Querschnittsfläche des Kanals (K) von einer Eingangsseite (E) zu einer Ausgangsseite (A) derart verringert ausgebildet, dass ein Wärmeübergangskoeffizient von der Eingangsseite (E) zur Ausgangsseite (A) ansteigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine von einem Fluid durchströmbare Wärmequelle, welche zumindest einen Kanal zur Führung des Fluids und zur Übertragung der Wärme des Fluids aufweist, umfassend eine Wärmesenke und einen mit der Wärmequelle und der Wärmesenke thermisch gekoppelten thermoelektrischen Generator, wobei mittels des thermoelektrischen Generators aus einem Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke die elektrische Energie erzeugbar ist.
  • Aus der US 2007/0045044 A1 ist ein Schalldämpfer bekannt, welcher eine Mehrzahl an wärmeleitfähigen Wänden, Leitblechen oder Bereichen aufweist, welche zusammen eine Mehrzahl an Abschnitten mit akustischen Wellenleitern, Dämpfungselementen und/oder akustische Auslöschungskammern bilden. Hierzu ist durch die Wände, Leitbleche oder Bereiche eine Oberfläche, mit welcher ein durch den Schalldämpfer geleitetes Abgas in Berührung kommt und anhand welcher ein entstehender Schall gedämpft und dem Abgas Wärme entzogen wird, erhöht. Der Schalldämpfer weist weiterhin eine Kühlvorrichtung und thermoelektrische Elemente oder andere wärmebetriebene Vorrichtungen, wie eine Reformiervorrichtung, auf, welche derart zwischen der Kühlvorrichtung und einer äußeren Oberfläche des Schalldämpfers, welcher in Wärme leitendem Kontakt mit den Wänden, Leitblechen oder Bereichen steht, angeordnet ist, dass die mittels des Schalldämpfers vom Abgas aufgenommene Wärme abführbar ist. Weiterhin weist zumindest einer der Abschnitte Mittel auf, anhand derer gegenüber den weiteren Abschnitten eine Länge veränderlich ist. Zusätzlich kann eine akustische Auslöschungskammer in einem Überschneidungsbereich der Abschnitte angeordnet sein. Zusätzlich können zur Erzeugung einer Kombination eines Schalldämpfers mit einem Abgas-Katalysator die Oberflächen im Inneren des Schalldämpfers mit einem katalytischen Material beschichtet sein.
  • Weiterhin ist aus der DE 10 2006 019 282 A1 ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Frischluftstrang bekannt. Der Abgasstrang und der Frischluftstrang sind abgasführend von einer Abgasrückführleitung verbunden, wobei an der Abgasrückführleitung ein Abgaskühler angeordnet ist und wobei an der Abgasrückführleitung ein thermoelektrischer Generator angeordnet ist.
  • Ferner beschreibt die DE 42 08 358 A1 einen Kühler für Verbrennungsmotoren, mittels welchem Elektroenergie erzeugbar ist. Zwischen einer warmen und kalten Seite des Kühlers ist ein thermoelektrischer Generator angeordnet, der aus elektrisch in Reihe und parallel geschalteten Halbleiterelementen gebildet ist. Anhand einer Ausnutzung eines so genannten Seebeck-Effekts im thermoelektrischen Generator ist ein Teil eines Wärmestroms von der warmen zur kalten Seite des Kühlers, welcher funktionsbedingt vom Verbrennungsmotor abführbar ist, direkt in elektrische Energie umwandelbar.
  • Die DE 10 2006 057 662 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem thermoelektrischen Generator, der mindestens ein von einer Wärmequelle Wärme aufnehmendes Element und mindestens ein an eine Wärmesenke Wärme abgebendes Element aufweist. Weiterhin sind zwei elektrische Anschlüsse vorgesehen, über die der thermoelektrische Generator elektrische Energie abgebt, wobei weiterhin ein Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher Heizelemente aufweist, die thermisch mit dem mindestens einen Wärme aufnehmenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind. Der Wärmetauscher weist ferner Kühlelemente auf, die thermisch mit dem mindestens einen Wärme abgebenden Element des thermoelektrischen Generators verbunden sind. Die Heizelemente sind im Abgaskanal des Verbrennungsmotors angeordnet und von Abgas um- oder durchströmt.
  • Auch die DE 10 2007 005 520 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einer Wärme abgebenden Komponente und einem thermoelektrischen Generator, der ein mit der Wärme abgebenden Komponente thermisch gekoppeltes Wärme aufnehmendes Element aufweist und der aus dem Temperaturgefälle zwischen dem Wärme aufnehmenden Element und einer Wärmesenke elektrische Energie erzeugt. Der thermoelektrische Generator ist unmittelbar an der Wärme abgebenden Komponente angeordnet und thermisch leitend mit dieser verbunden.
  • Zusätzlich sind in den Schriften WO 2004/059138 A1 , US 005 625 245 A , US 005 974 803 A und US 006 028 263 A Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärmeenergie bekannt, wobei zu dieser Erzeugung jeweils ein thermoelektrischer Generator in einem Abgasstrang eines Fahrzeugs angeordnet ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme umfasst eine von einem Fluid durchströmbare Wärmequelle, welche zumindest einen Kanal zur Führung des Fluids und zur Übertragung der Wärme des Fluids aufweist. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Wärmesenke und einen mit der Wärmequelle und der Wärmesenke thermisch gekoppelten thermoelektrischen Generator, wobei mittels des thermoelektrischen Generators aus einem Temperaturgefälle zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke die elektrische Energie erzeugbar ist.
  • Erfindungsgemäß ist eine Querschnittsfläche des Kanals von einer Eingangsseite zu einer Ausgangsseite derart verringert ausgebildet, dass ein Wärmeübergangskoeffizient von der Eingangsseite zur Ausgangsseite ansteigt.
  • Daraus ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine gleichmäßige Temperaturverteilung auf einer so genannten Heißseite des thermoelektrischen Generators, d. h. auf der der Wärmequelle zugewandten Seite, so dass ein maximierter Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators erzielbar ist. Insbesondere dann, wenn der thermoelektrische Wandler mehrere seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Wandlermodule umfasst, ist die gleichmäßige Temperaturverteilung besonders vorteilhaft, da alle Wandlermodule aufgrund der konstanten Temperatur in ihrem optimalen Betriebspunkt betreibbar sind.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch eine Prinzipdarstellung eines mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke gekoppelten thermoelektrischen Generators,
  • 2 schematisch Temperaturverläufe von einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zugewandten Oberflächen des thermoelektrischen Generators sowie Temperaturverläufe der Wärmequelle und der Wärmesenke bei Verwendung einer Wärmequelle nach dem Stand der Technik, und
  • 3 schematisch Temperaturverläufe von einer Wärmequelle und einer Wärmesenke zugewandten Oberflächen des thermoelektrischen Generators sowie Temperaturverläufe der Wärmequelle und der Wärmesenke bei Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmequelle.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt einen thermoelektrischen Generator 1, welcher mit einer Wärmequelle 2 und einer Wärmesenke 3 thermisch gekoppelt ist. Mittels des thermoelektrischen Generators 1 ist aus einem Temperaturgefälle ΔT zwischen der Wärmequelle 2 und der Wärmesenke 3 elektrische Energie erzeugbar.
  • Der thermoelektrische Generator 1 umfasst vorzugsweise in nicht näher dargestellter Weise mehrere seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Wandlermodule, wobei die Wandlermodule insbesondere Halbleitermodule sind.
  • Die Energieerzeugung findet dabei aufgrund des so genannten Seebeck-Effekts statt, da zwischen zwei Punkten eines elektrischen Leiters, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, eine elektrische Spannung erzeugt wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Energieerzeugung zwischen einer der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 und einer der Wärmesenke 3 zugewandten Oberfläche 1.2 des thermoelektrischen Generators 1 bzw. der Wandlermodule desselben. Der thermoelektrische Generator 1 ist mit einer elektrischen Last 4, beispielsweise einem Akkumulator oder einem Elektromotor, gekoppelt, wobei die elektrische Last 4 anhand der mittels des thermoelektrischen Generators 1 erzeugten elektrischen Energie betreibbar ist.
  • Eine derartige Erzeugung der elektrischen Energie ist insbesondere auch zu einer mobilen Verwendung in einem nicht näher dargestellten Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine geeignet, wobei zu diesem Zweck der thermoelektrische Generator 1 mit einer als Wärmetauscher ausgebildeten Wärmequelle 2 gekoppelt ist. Die Wärmequelle 2 ist vorzugsweise in einem Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs angeordnet, wobei der Wärmequelle 2 als Fluid F1 ein Abgas der Verbrennungskraftmaschine zuführbar ist. Als elektrische Last 4 sind hierbei beispielsweise eine Starterbatterie des Fahrzeugs und/oder weitere elektrische Komponenten desselben mit elektrischer Energie versorgbar.
  • Bei einer Durchströmung der Wärmequelle 2 wird dem Fluid F1 Wärme entzogen und dem thermoelektrischen Generator 1 auf dessen der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 zugeführt.
  • Die Wärmesenke 3 ist beispielsweise ebenfalls ein Wärmetauscher, welcher in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage des Fahrzeugs oder in einem Kühlmittelkreislauf der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist. Dabei ist der Wärmesenke 3 als Fluid F2 eine Kältemittel oder ein Kühlmittel zuführbar, so dass der thermoelektrische Generator 1 an der der Wärmesenke 3 zugewandten Oberfläche 1.2 gekühlt wird.
  • In 2 sind Temperaturverläufe der der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1, der der Wärmesenke 3 zugewandten Oberfläche 1.2 und Temperaturverläufe der Wärmequelle 2 und der Wärmesenke 3 bei Verwendung einer Wärmequelle 2 nach dem Stand der Technik dargestellt.
  • Die Wärmequelle 2 nach dem Stand der Technik weist einen Kanal K zur Führung des Fluids F1 auf, wobei das Fluid F1 bei der Durchströmung des Kanals K die Wärme, hier die Abgaswärme, an die Wärmequelle 2 abgibt, so dass die der Wärmequelle 2 zugewandte Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 erwärmt bzw. erhitzt wird.
  • Der Kanal K nach dem Stand der Technik weist über seine gesamte Länge von einer Eingangsseite E zu einer Ausgangsseite A eine konstante Querschnittsfläche auf, so dass eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids innerhalb des Kanals K nahezu konstant ist. Daraus folgt, dass auch ein Wärmeübergangskoeffizient nahezu konstant ist.
  • Der Wärmeübergangskoeffizient, welcher auch als Wärmeübergangszahl oder Wärmeübertragungskoeffizient bekannt ist, beschreibt eine Intensität eines Wärmeübergangs an einer Grenzfläche, d. h. eine Fähigkeit eines Gases oder einer Flüssigkeit, Energie von einer Oberfläche eines Materials, abzuführen bzw. an die Oberfläche abzugeben. Diese Oberfläche ist hier eine Innenfläche des Kanals K der Wärmequelle 2, wobei die Wärme vom Fluid F1 an diese abgegeben wird. Die Fähigkeit zur Aufnahme bzw. Abgabe der Wärme ist abhängig von einer spezifischen Wärmekapazität, einer Dichte und einem Wärmeleitkoeffizienten des Wärme abführenden sowie des Wärme liefernden Mediums. Der Wärmeübergangskoeffizient ist dabei abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit und einer Art der Strömung, wie beispielsweise einer laminaren oder turbulenten Strömung des Fluids F1.
  • Aufgrund eines sehr hohen Volumenstroms des als Kältemittel oder Kühlmittel ausgebildeten Fluids F2 durch die Wärmesenke im Vergleich zu einem geringeren Volumenstrom des als Abgas ausgebildeten Fluids F1 durch die Wärmequelle 1 sind eine Temperatur T3 der Wärmesenke 3 und eine Temperatur T2 der der Wärmesenke 3 zugewandten Oberfläche 1.2 des thermoelektrischen Generators 1 über die gesamte Länge der Wärmesenke 3 nahezu konstant. Aufgrund des geringen Volumenstroms des Fluids F1 durch die Wärmequelle 2 sinkt eine Temperatur T2 der Wärmequelle 2 und des Fluids F1 über die Länge des Kanals K der Wärmequelle 2, so dass auch eine Temperatur T1.2 der der Wärmequelle 2 zugewandten Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 sinkt. Hierbei verringert sich die Temperatur T2 des Fluids F1, d. h. des Abgases, von der Eingangsseite E zu der Ausgangsseite A des Kanals K der Wärmequelle 1 nahezu linear, so dass bei einem nahezu gleichen Wärmeübergangskoeffizienten eine in Längsrichtung abnehmende Temperaturdifferenz an der Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 verringert ist.
  • Aus dieser ungleichmäßigen Temperaturverteilung über die Oberfläche des thermoelektrischen Generators 1 bzw. der Wandlermodule folgt in nachteiliger Weise, dass der thermoelektrische Generator 1 bzw. die Wandlermodule nicht in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden können, so dass lediglich ein geringer Wirkungsgrad des thermoelektrischen Generators 1 erzielbar ist.
  • 3 zeigt Temperaturverläufe der Oberflächen 1.1, 1.2 des thermoelektrischen Generators 1 sowie Temperaturverläufe der Wärmequelle 2 und der Wärmesenke 3 bei Verwendung einer möglichen Ausbildung einer erfindungsgemäßen Wärmequelle 2.
  • Zur Erzeugung einer konstanten Temperaturverteilung über der Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 bzw. der Wandlermodule ist erfindungsgemäß die Querschnittsfläche des Kanals K von der Eingangsseite E zu einer Ausgangsseite A des Kanals K derart verringert ausgebildet ist, dass der Wärmeübergangskoeffizient von der Eingangsseite E zur Ausgangsseite A ansteigt.
  • Hierzu ist der Kanal K der Wärmequelle 2 im dargestellten Ausführungsbeispiel in fünf Segmente K1 bis K5 unterteilt, deren jeweils konstante Querschnittsfläche von der Eingangsseite E zur Ausgangsseite A des Kanals K abnimmt. In einer nicht näher dargestellten alternativen Ausbildung des Kanals 1 ist dieser einteilig ausgebildet, wobei die Verringerung der Querschnittsfläche von der Eingangsseite E zu der Ausgangsseite A stetig ist.
  • Durch die Verringerung der Querschnittsfläche wird die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids F1 derart erhöht, dass ein besserer Wärmeübergang, d. h. eine Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten erzielt wird. Daraus resultiert, dass eine übertragene Wärmemenge in jedem der Segmente K1 bis K5 gleich ist, wobei sich die Wärmemenge rechnerisch wie folgt ergibt: Q = α·A·ΔT [1], mit:
    • – α = Wärmeübergangskoeffizient,
    • – A = Querschnittsfläche des Kanals K,
    • – ΔT = Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid F1 bzw. der Wärmequelle 2 und der Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1.
  • Somit wird eine konstante Temperaturverteilung über der Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 erzielt, so dass dieser mit einem maximalen Wirkungsgrad betreibbar ist.
  • Im Folgenden ist am Beispiel einer als Ottomotor ausgebildeten Verbrennungskraftmaschine, welche in einem Konstantfahrpunkt betrieben wird, dargestellt, wie eine Höhe der einzelnen Segmente K1 bis K5 bei einer konstanten Gesamtlänge des Kanals K von 500 mm und einer konstanten Breite von 100 mm gewählt wird, um eine konstante Temperaturverteilung über der Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 zu erzielen.
  • Dabei sind für die Wärmequelle 2, welche als Abgaswärmetauscher ausgebildet ist, folgende Randbedingungen gegeben:
    • – Eine Abgastemperatur, welche der Temperatur des Fluids F1 entspricht, beträgt an der Eingangsseite E des Kanals K 685°C,
    • – die Abgastemperatur beträgt an der Ausgangsseite A des Kanals K 460°C,
    • – ein Abgasmassenstrom beträgt 0,036 kg/s und
    • – eine Gesamt-Abgaswärmeleistung oder Gesamt-Abgaswärmemenge beträgt 10 kW.
  • Weiterhin liegt der optimale Arbeitspunkt des thermoelektrischen Generators 1 bzw. der Wandlermodule bei einer Temperatur T1.1 von 250°C.
  • Zur Erzeugung der konstanten Temperaturverteilung über der Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 muss bei einer Abgaswärmeleistung von 10 kW in jedem der Segmente K1 bis K5 eine Abgaswärmeleistung oder Abgaswärmemenge von 2 kW von dem Fluid F1, d. h. dem Abgas, auf die Oberfläche 1.1 des thermoelektrischen Generators 1 übertragen werden.
  • Damit ergeben sich beim vorliegenden Beispiel folgende Höhen für die einzelnen Segmente K1 bis K5:
    • – Für das Segment K1 eine Höhe von 3,60 mm,
    • – für das Segment K2 eine Höhe von 3,10 mm,
    • – für das Segment K3 eine Höhe von 2,65 mm,
    • – für das Segment K4 eine Höhe von 2.25 mm und
    • – für das Segment K5 eine Höhe von 1,85 mm.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Thermoelektrischer Generator
    1.1
    Oberfläche
    1.2
    Oberfläche
    2
    Wärmequelle
    3
    Wärmesenke
    4
    Elektrische Last
    A
    Ausgangsseite
    E
    Eingangsseite
    F1
    Fluid
    F2
    Fluid
    K
    Kanal
    K1 bis K5
    Segment
    T1.1, T1.2
    Temperatur
    T2, T3
    Temperatur
    ΔT
    Temperaturgefälle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2007/0045044 A1 [0002]
    • DE 102006019282 A1 [0003]
    • DE 4208358 A1 [0004]
    • DE 102006057662 A1 [0005]
    • DE 102007005520 A1 [0006]
    • WO 2004/059138 A1 [0007]
    • US 005625245 A [0007]
    • US 005974803 A [0007]
    • US 006028263 A [0007]

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme, umfassend eine von einem Fluid (F1) durchströmbare Wärmequelle (2), welche zumindest einen Kanal (K) zur Führung des Fluids (F1) und zur Übertragung der Wärme des Fluids (F1) aufweist, umfassend eine Wärmesenke (3) und einen mit der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) thermisch gekoppelten thermoelektrischen Generator (1), wobei mittels des thermoelektrischen Generators (1) aus einem Temperaturgefälle (ΔT) zwischen der Wärmequelle (2) und der Wärmesenke (3) die elektrische Energie erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche des Kanals (K) von einer Eingangsseite (E) zu einer Ausgangsseite (A) derart verringert ausgebildet ist, dass ein Wärmeübergangskoeffizient von der Eingangsseite (E) zur Ausgangsseite (A) ansteigt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (2) und/oder die Wärmesenke (3) aus jeweils zumindest einem Wärmetauscher gebildet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kanal (K) in mehrere Segmente (K1 bis K5) mit jeweils konstanter Querschnittsfläche unterteilt ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kanal (K) einteilig ausgebildet ist, wobei die Verringerung der Querschnittsfläche von der Eingangsseite (E) zu der Ausgangsseite (A) stetig ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (1) mehrere seriell und/oder parallel miteinander verschaltete Wandlermodule umfasst.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlermodule Halbleitermodule sind.
  7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Fahrzeug, wobei die Wärmequelle (2) in einem Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet und von einem Abgas durchströmbar ist.
DE102009048192A 2009-10-05 2009-10-05 Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme Withdrawn DE102009048192A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009048192A DE102009048192A1 (de) 2009-10-05 2009-10-05 Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme
PCT/EP2010/004661 WO2011042080A1 (de) 2009-10-05 2010-07-30 Vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie aus wärme

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009048192A DE102009048192A1 (de) 2009-10-05 2009-10-05 Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102009048192A1 true DE102009048192A1 (de) 2011-04-21

Family

ID=42729430

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102009048192A Withdrawn DE102009048192A1 (de) 2009-10-05 2009-10-05 Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102009048192A1 (de)
WO (1) WO2011042080A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3255688A1 (de) * 2016-06-09 2017-12-13 Eberspächer Exhaust Technology GmbH & Co. KG Thermoelektrischer generator für abgasanlagen und kontaktelement für einen thermoelektrischen generator
DE102017117065A1 (de) * 2017-07-27 2019-01-31 Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh Thermoelektrische Baugruppe

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4208358A1 (de) 1992-03-16 1993-09-23 Henatsch Alfred Prof Dr Ing Ha Thermoelektrisches kuehlsystem fuer verbrennungsmotoren
US5625245A (en) 1993-10-19 1997-04-29 Bass; John C. Thermoelectric generator for motor vehicle
US5974803A (en) 1997-04-17 1999-11-02 Webasto Thermosysteme Gmbh Thermogenerator for power production in conjunction with a heating device
US6028263A (en) 1997-05-14 2000-02-22 Nissan Motor Co., Ltd. Thermoelectric power generating apparatus and method for driving same
WO2004059138A1 (en) 2002-12-26 2004-07-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust heat power generation apparatus
US20070045044A1 (en) 2005-08-26 2007-03-01 Sullivan John T Flow-through mufflers with optional thermo-electric, sound cancellation, and tuning capabilities
DE102006019282A1 (de) 2006-04-26 2007-10-31 Bayerische Motoren Werke Ag Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine
DE102006057662A1 (de) 2006-12-07 2008-06-12 Bayerische Motoren Werke Ag Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator
DE102007005520A1 (de) 2007-02-03 2008-08-07 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0712009A (ja) * 1993-06-25 1995-01-17 Mitsubishi Motors Corp 車両用熱発電器

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4208358A1 (de) 1992-03-16 1993-09-23 Henatsch Alfred Prof Dr Ing Ha Thermoelektrisches kuehlsystem fuer verbrennungsmotoren
US5625245A (en) 1993-10-19 1997-04-29 Bass; John C. Thermoelectric generator for motor vehicle
US5974803A (en) 1997-04-17 1999-11-02 Webasto Thermosysteme Gmbh Thermogenerator for power production in conjunction with a heating device
US6028263A (en) 1997-05-14 2000-02-22 Nissan Motor Co., Ltd. Thermoelectric power generating apparatus and method for driving same
WO2004059138A1 (en) 2002-12-26 2004-07-15 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Exhaust heat power generation apparatus
US20070045044A1 (en) 2005-08-26 2007-03-01 Sullivan John T Flow-through mufflers with optional thermo-electric, sound cancellation, and tuning capabilities
DE102006019282A1 (de) 2006-04-26 2007-10-31 Bayerische Motoren Werke Ag Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine
DE102006057662A1 (de) 2006-12-07 2008-06-12 Bayerische Motoren Werke Ag Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator
DE102007005520A1 (de) 2007-02-03 2008-08-07 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Fahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3255688A1 (de) * 2016-06-09 2017-12-13 Eberspächer Exhaust Technology GmbH & Co. KG Thermoelektrischer generator für abgasanlagen und kontaktelement für einen thermoelektrischen generator
US9954157B2 (en) 2016-06-09 2018-04-24 Eberspächer Exhaust Technology GmbH & Co. KG Thermoelectric generator for exhaust systems and contact member for a thermoelectric generator
DE102017117065A1 (de) * 2017-07-27 2019-01-31 Faurecia Emissions Control Technologies, Germany Gmbh Thermoelektrische Baugruppe

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011042080A1 (de) 2011-04-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2126990B1 (de) Fahrzeug mit einem thermoelektrischen generator
WO2011006978A1 (de) Thermoelektrische vorrichtung mit rohrbündeln
DE102008063487A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Abgas
DE102008057305A1 (de) Vorrichtung zur Kühlung einer Wärmequelle eines Kraftfahrzeugs
EP2422386A1 (de) Batteriemodul
DE102016210857A1 (de) Elektrischer Achsantrieb für ein Fahrzeug
DE102010054432A1 (de) Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie
DE102013200786A1 (de) Kühlsystem für eine Batterie und Batteriesystem mit Kühlsystem
DE102018206020A1 (de) Kühlanordnung für elektrische Bauelemente, Stromrichter mit einer Kühlanordnung sowie Luftfahrzeug mit einem Stromrichter
DE102015214661A1 (de) Traktionsbatterie für ein Kraftfahrzeug mit einer Kühlvorrichtung
DE102012202150A1 (de) Vorrichtung zum thermoelektrischen Erzeugen von Energie für ein Fahrzeug
EP3264494A1 (de) Batteriemodul für ein fahrzeug, insbesondere für ein nutzfahrzeug
DE102008055946A1 (de) Verbrennungsmotor
DE102018218388A1 (de) Leistungselektronikeinrichtung für ein Fahrzeug
DE102008002095A1 (de) Anordnung zur Wärmeübertragung
DE102009048192A1 (de) Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wärme
DE102012105119A1 (de) Thermoelektrischer Generator eines Fahrzeugs
DE102009058104A1 (de) Kühler mit einem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug
DE102008055945A1 (de) Verbrennungsmotor
DE102009032038A1 (de) Abgasbehandlungsvorrichtung
DE102016112232A1 (de) Heißgasnutzungsvorrichtung, Fahrzeug und Verfahren zum Betreiben einer Heißgasnutzungsvorrichtung
DE102012217215B4 (de) Ladeluftkühler mit thermoelektrischem Generator
AT508500B1 (de) Vorrichtung zur gewinnung elektrischer energie in einem motorbetriebenen fahrzeug
DE202010007872U1 (de) Thermoelektrischer Generator
DE102019115884A1 (de) Temperiervorrichtung zum Temperieren eines elektrischen Energiespeichers mit einer ersten fluidischen Temperiereinrichtung und mit einer zweiten Temperiereinrichtung, sowie elektrischer Energiespeicher

Legal Events

Date Code Title Description
R005 Application deemed withdrawn due to failure to request examination