DE102009058104A1 - Kühler mit einem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug - Google Patents

Kühler mit einem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kühler (1) mit einem thermoelektrischen Generator (2) für ein Fahrzeug. Erfindungsgemäß ist der thermoelektrische Generator (2) aus einer Vielzahl von mikrostrukturierten thermoelektrischen Modulen (6) gebildet, welche in Reihen- und/oder Parallelschaltung elektrisch gekoppelt sind, wobei die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) derart zwischen einer Kühllamelle (5) und einer vom Kühlmedium durchflossenen Kühlmittelfinne (4) angeordnet sind, dass eine zu kühlende Seite (7) des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls (6) an der Kühllamelle (5) und eine mit thermischer Energie zu beaufschlagende Seite (8) des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls (6) an der Kühlmittelfinne (4) angeordnet und thermisch gekoppelt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühler mit einem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • In der DE 10 2006 019 282 A1 ist ein Abgasrückführsystem für eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasstrang und einem Frischluftstrang beschrieben, wobei der Abgasstrang und der Frischluftstrang abgasführend von einer Abgasrückführleitung verbunden sind, wobei an die Abgasrückführleitung ein Abgaskühler angeordnet ist und wobei an die Abgasrückführleitung ein thermoelektrischer Generator angeordnet ist.
  • Die DE 42 08 358 A1 betrifft einen Kühler von Verbrennungsmotoren, mit dem gleichzeitig Elektroenergie gewonnen wird. Zwischen der warmen und kalten Seite des Kühlers wird ein thermoelektrischer Generator eingebaut, der aus elektrisch in Reihe und parallel geschalteten Halbleiterelementen besteht. Durch Ausnutzung des Seebeck-Effekts im thermoelektrischen Generator wird ein Teil des Wärmestroms von der warmen zur kalten Seite des Kühlers, der funktionsbedingt vom Verbrennungsmotor abgeführt werden muss, direkt in elektrischen Gleichstrom gewünschter Spannung umgewandelt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Kühler mit einem thermoelektrischen Generator anzugeben.
  • Hinsichtlich des Kühlers wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Beim erfindungsgemäßen Kühler mit einem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug ist der thermoelektrische Generator aus einer Vielzahl von mikrostrukturierten thermoelektrischen Modulen gebildet, welche in Reihen- und/oder Parallelschaltung elektrisch gekoppelt sind, wobei die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module derart zwischen einer Kühllamelle und einer vom Kühlmedium durchflossenen Kühlmittelfinne angeordnet sind, dass eine zu kühlende Seite des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls an der Kühllamelle und eine mit thermischer Energie zu beaufschlagende Seite des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls an der Kühlmittelfinne angeordnet und thermisch gekoppelt ist.
  • Durch thermische Kopplung der mikrostrukturierten thermoelektrischen Module, der Kühllamelle und der Kühlmittelfinne ist vorteilhafterweise ein schneller, einfacher und effizienter Wärmeübergang ermöglicht.
  • Die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module benötigen im Vergleich zu herkömmlichen thermoelektrischen Generatoren einen minimierten Bauraum, so dass vorteilhafterweise herkömmliche Fahrzeugkühlerbauweisen übernommen werden können.
  • Ein Teil der thermischen Energie, die im Fahrbetrieb eines Fahrzeugs an die Umgebungsluft abgegeben wird, kann vorteilhafterweise in elektrische Energie umgewandelt werden.
  • Vom thermoelektrischen Generator erzeugter Strom ist besonders vorteilhafterweise in ein Bordnetz eines Fahrzeugs einspeisbar und entlastet somit einen Generator des Fahrzeugs.
  • Durch diese Entlastung des Generators sind ein Kraftstoffverbrauch und ein daraus resultierender Schadstoffausstoß vermindert.
  • Im Fahrzeugkühler liegen durch den kontinuierlichen Kühlmediumstrom quasi stationäre Betriebsbedingungen vor, so dass zyklische Belastungen des thermoelektrischen Generators nur bei einem Kaltstart des Fahrzeugs auftreten. Dadurch ist die Umwandlung thermischer in elektrische Energie durch den thermoelektrischen Generator und die daraus resultierende Einspeisung elektrischer Spannung in das Bordnetz des Fahrzeugs homogenisiert.
  • Die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module weisen im Vergleich zu herkömmlichen thermoelektrischen Generatoren besonders vorteilhafterweise eine wesentlich höhere Zyklenbeständigkeit auf, so dass die Lebensdauer des thermoelektrischen Generators verlängert ist.
  • Der mit mikrostrukturierten thermoelektrischen Modulen ausgestattete Kühler erzeugt zweckmäßigerweise auch bei Fahrzeugstillstand elektrische Energie, solange noch Restwärme vorhanden ist. Insbesondere bei niedrigen Lasten, beispielsweise im Stadtverkehr oder im so genannten Neuen Europäischen Fahrzyklus, ist mit dem Kühler eine nennenswerte elektrische Leistung bereitgestellt.
  • Der erfindungsgemäße Kühler ist in allen Fahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen und/oder Hybridfahrzeugen einsetzbar.
  • Der erfindungsgemäße Kühler ist für alle Antriebsarten, beispielsweise in dieselmotorisch, ottomotorisch, elektrisch und/oder mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen, einsetzbar.
  • Der erfindungsgemäße Kühler ist für alle Bauformen von Kühlern, beispielsweise als Ölkühler, Getriebekühler und/oder Kühler für ein Kühlmedium eines Elektromotors, einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors, einsetzbar.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch einen Kühler mit einem thermoelektrischen Generator für ein Fahrzeug und
  • 2 schematisch einen Verbrennungsmotor mit einem Kühler mit einem thermoelektrischen Generator.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist schematisch ein Kühler 1 mit einem thermoelektrischen Generator 2 für ein nicht dargestelltes Fahrzeug dargestellt.
  • Der erfindungsgemäße Kühler 1 ist in allen Fahrzeugen, beispielsweise Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Bussen und/oder Hybridfahrzeugen einsetzbar.
  • Der Kühler 1 ist für alle Antriebsarten, beispielsweise in dieselmotorisch, ottomotorisch, elektrisch und/oder mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugen einsetzbar.
  • Der Kühler 1 ist für alle Bauformen von Kühlern, beispielsweise als Ölkühler, Getriebekühler und/oder Kühler für ein Kühlmedium eines Elektromotors, einer Brennstoffzelle oder eines Verbrennungsmotors, einsetzbar.
  • In 2 ist schematisch als ein Ausführungsbeispiel ein Verbrennungsmotor 9 mit dem Kühler 1 mit dem thermoelektrischen Generator 2 und einer herkömmlichen Abgasanlage 15 dargestellt.
  • Der Kühler 1 ist beispielsweise als herkömmlicher Kühler ausgebildet und vorzugsweise mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf 10 eines Fahrzeugs, beispielsweise mittels nicht dargestellter Kühlmittelanschlüsse, verbunden und mit einem im Kühlkreislauf 10 zirkulierendem Kühlmedium, insbesondere Kühlflüssigkeit und/oder einem Kühlflüssigkeitsgemisch, beaufschlagbar.
  • Der Kühler 1 umfasst zwei hohl ausgeformte Kühlmittelkästen 3.1 und 3.2, welche mittels einer Mehrzahl von hohl ausgeformten Kühlmittelfinnen 4 derart verbunden sind, dass ein nicht dargestelltes Kühlmedium beispielsweise von dem Kühlmittelkasten 3.1, durch die Kühlmittelfinnen 4 in den Kühlmittelkasten 3.2 strömen können.
  • Die Kühlmittelfinnen 4 sind beispielsweise aus runden, ovalen oder flachovalen Rohren gebildet und form-, kraft- und/oder stoffschlüssig an den Kühlmittelkästen 3.1 und 3.2 befestigt.
  • Die Kühllamellen 5 des Kühlers 1 sind zwischen zwei benachbarten Kühlmittelfinnen 4 angeordnet und in herkömmlicher Art und Weise gewellt und/oder geschlitzt ausgeformt.
  • Der thermoelektrische Generator 2 ist aus einer Vielzahl von mikrostrukturierten thermoelektrischen Modulen 6 gebildet. Diese mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 sind in Reihen- und/oder Parallelschaltung elektrisch derart miteinander gekoppelt, dass beispielsweise eine Spannung im Bereich eines Bordnetzes 11 von 13,5 Volt oder höher generierbar ist.
  • Der thermoelektrische Generator 2, d. h. die thermoelektrischen Module 6, ist/sind nicht dargestellt mit zumindest zwei Anschlusselektroden kontaktiert und mittels dieser mit dem Bordnetz 11 des Fahrzeugs koppelbar.
  • Das Bordnetz 11 des Fahrzeugs umfasst zumindest einen Spannungswandler 12, z. B. einen DC/DC-Wandler, welcher die vom thermoelektrischen Generator 2 generierte Spannung an die im Bordnetz 11 benötigte Spannung anpasst, ein Steuergerat 13 und eine Batterie 14.
  • Die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 sind beispielsweise in der so genannten Folientechnik gefertigt.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 als auf Halbleiterwafer gedruckte Schaltungen ausgeformt.
  • Die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 sind derart zwischen einer Kühllamelle 5 und einer vom Kühlmedium durchflossenen Kühlmittelfinne 4 angeordnet, dass eine zu kühlende Seite 7 des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls 6 an der Kühllamelle 5 und eine mit thermischer Energie zu beaufschlagende Seite 8 des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls 6 an der Kühlmittelfinne 4 angeordnet und thermisch gekoppelt ist.
  • In einer möglichen Ausführungsform sind die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 kraft-, stoff- und/oder formschlüssig an der Kühllamelle 5 und/oder an der Kühlmittelfinne 4 befestigt.
  • Die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 sind beispielsweise an der Kühllamelle 5 und/oder an der Kühlmittelfinne 4 verklebt.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module 6 mittels einer nicht dargestellten Klemmverbindung an der Kühllamelle 5 und/oder an der Kühlmittelfinne 4 befestigt.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist beispielsweise das Laserschweißen oder das Lotschichten als Verbindungstechnik anwendbar. Dadurch wird eine stoffschlüssige Bauweise mit einer geringen Anzahl von Wärmeübergängen realisiert.
  • Im Betrieb des thermoelektrischen Generators 2 ist eine direkte Wandlung von thermischer Energie in elektrische Energie ermöglicht. Der thermoelektrische Generator 2 arbeitet nach dem so genannten Seebeck-Effekt. Als Seebeck-Effekt wird das Auftreten einer Spannung zwischen zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur eines Halbleiters bezeichnet. Beim Seebeck-Effekt wird somit zwischen zwei Punkten eines elektrischen Halbleiters, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen, eine elektrische Spannung generiert. Eine Potentialdifferenz zwischen den zwei Stellen unterschiedlicher Temperatur ist annähernd proportional zu deren Temperaturdifferenz.
  • In der vorliegenden Erfindung sind die beiden Stellen unterschiedlicher Temperatur zum einen die von heißem Kühlmedium durchflossene Kühlmittelfinne 4 und die von der kälteren Umgebungsluft umströmte Kühllamelle 5.
  • Der thermoelektrische Generator 2 nutzt die Temperaturdifferenz zwischen dem mit 80° Celsius bis 110° Celsius temperierten Kühlmedium und der mit –10° Celsius bis 30° Celsius temperierten Umgebungsluft zur Umwandlung thermischer in elektrische Energie.
  • Im Kühler 1 liegen durch den kontinuierlichen Kühlmediumstrom quasi stationäre Betriebsbedingungen vor, so dass zyklische Belastungen des thermoelektrischen Generators 2 nur bei einem Kaltstart des Fahrzeugs auftreten. Dadurch ist die Umwandlung thermischer in elektrische Energie durch den thermoelektrischen Generator 2 und die daraus resultierende Einspeisung elektrischer Spannung in das Bordnetz 11 des Fahrzeugs homogenisiert.
  • Der mit mikrostrukturierten thermoelektrischen Modulen 6 ausgestattete Kühler 1 erzeugt zweckmäßigerweise auch bei Fahrzeugstillstand elektrische Energie, solange noch Restwärme im Kühlmedium vorhanden ist. Insbesondere bei niedrigen Lasten, beispielsweise im Stadtverkehr oder im so genannten Neuen Europäischen Fahrzyklus, ist mit dem Kühler 1 eine nennenswerte elektrische Leistung bereitgestellt.
  • Mit dem Kühler 1 ist somit neben der herkömmlichen Temperierung des Kühlmediums die Umwandlung von thermischer Energie des Kühlmediums in elektrische Energie realisierbar, indem die thermische Energie des Kühlmediums mittels des thermoelektrischen Generators 2 zur Erzeugung und/oder Speicherung von elektrischer Energie bzw. zum Antrieb elektrischer Geräte im Fahrzeug eingesetzt wird.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kühler
    2
    thermoelektrischer Generator
    3.1
    Kühlmittelkasten
    3.2
    Kühlmittelkasten
    4
    Kühlmittelfinne
    5
    Kühllamelle
    6
    mikrostrukturiertes thermoelektrisches Modul
    7,8
    Seite
    9
    Verbrennungsmotor
    10
    Kühlkreislauf
    11
    Bordnetz
    12
    Spannungswandler
    13
    Steuergerät
    14
    Batterie
    15
    Abgasanlage
  • 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
    • DE 102006019282 A1 [0002]
    • DE 4208358 A1 [0003]

Claims (6)

  1. Kühler (1) mit einem thermoelektrischen Generator (2) für ein Fahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (2) aus einer Vielzahl von mikrostrukturierten thermoelektrischen Modulen (6) gebildet ist, welche in Reihen- und/oder Parallelschaltung elektrisch gekoppelt sind, wobei die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) derart zwischen einer Kühllamelle (5) und einer vom Kühlmedium durchflossenen Kühlmittelfinne (4) angeordnet sind, dass eine zu kühlende Seite (7) des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls (6) an der Kühllamelle (5) und eine mit thermischer Energie zu beaufschlagende Seite (8) des mikrostrukturierten thermoelektrischen Moduls (6) an der Kühlmittelfinne (4) angeordnet und thermisch gekoppelt ist.
  2. Kühler (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) in einer Folientechnik gefertigt sind.
  3. Kühler (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) als auf Halbleiterwafer gedruckte Schaltungen ausgeformt sind.
  4. Kühler (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) kraft-, form- und/oder stoffschlüssig an der Kühllamelle (5) und/oder an der Kühlmittelfinne (4) befestigt sind.
  5. Kühler (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) an der Kühllamelle (5) und/oder an der Kühlmittelfinne (4) verklebt sind.
  6. Kühler (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrostrukturierten thermoelektrischen Module (6) mittels einer Klemmverbindung an der Kühllamelle (5) und/oder an der Kühlmittelfinne (4) befestigt sind.
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