DE102010005177A1

DE102010005177A1 - Effizientes und leichtes thermoelektrisches Rückgewinnungssystem für ungenutzte Wärme

Info

Publication number: DE102010005177A1
Application number: DE102010005177A
Authority: DE
Inventors: Jihui Lakeshore Yang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: UT Battelle LLC; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2010-12-30
Also published as: US20100186422A1; CN101900021A

Abstract

Eine Ausführungsform umfasst ein fahrzeugeigenes thermoelektrisches Fahrzeugsystem zum Erzeugen elektrischer Energie unter Verwendung einer erwärmten Fluidströmung, welches mindestens eine thermoelektrische Einrichtung umfasst, die eine Hochtemperaturverbindung und eine Niedertemperaturverbindung und einen Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit aufweist, der geformt und angeordnet ist, um eine Wärmeübertragung von der erwärmten Fluidströmung an die Hochtemperaturverbindung zu erhöhen oder eine Wärmeübertragung von der Niedertemperaturverbindung der thermoelektrischen Einrichtung zu erhöhen.

Description

Die Regierung der Vereinigten Staaten besitzt Rechte an dieser Erfindung gemäß der Zusammenarbeitsvereinbarung Nr. DE-FC26-04NT42278, die vom Energieministerium der Vereinigten Staaten vergeben wurde. Die Regierung der Vereinigten Staaten besitzt Rechte an dieser Erfindung gemäß dem Vertrag Nr. DE-AC05-00OR22725 zwischen dem Energieministerium der Vereinigten Staaten und UT-Battelle, LLC.
TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft die Verwendung thermoelektrischer Einrichtungen in Kombination mit heißen Fluidströmungen, die von einer arbeitenden Brennkraftmaschine erzeugt werden. Die Hochtemperaturseiten der Einrichtungen stehen in Wärmeübertragungskontakt mit beispielsweise der heißen Maschinenabgasströmung und die Niedertemperaturseiten stehen in Wärmeübertragungskontakt mit Umgebungsluft, um elektrische Leistung zu erzeugen. Diese Erfindung betrifft insbesondere die Verwendung leichter Schaummaterialien mit hoher Temperaturleitfähigkeit in Kontakt mit den Hochtemperaturseiten und/oder den Niedertemperaturseiten der Einrichtungen, um deren elektrische Leistungsausgabe zu erhöhen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die verbesserte Temperaturverwaltung ist ein wichtiges Forschungsziel auf vielen Gebieten. Es kann beispielsweise sein, dass etwa 30% der Energie, die im Kraftfahrzeugkraftstoff enthalten ist, als thermische Energie im Abgas einer Brennkraftmaschine an die Umgebung verloren geht. Es ist wünschenswert, einen Teil dieser ungenutzten Wärme in Form von elektrischer Leistung zur Verwendung im Kraftfahrzeug zurück zu gewinnen. Die Rückgewinnung ungenutzter Wärme kann die Leistungsanforderung an den Generator eines Kraftfahrzeugs verringern und zu einem verbesserten Kraftstoffwirkungsgrad führen. Viele Anwendungen in der Raumfahrt und der Elektronik suchen ebenfalls nach Verbesserungen bei der Temperaturverwaltung.
Thermoelektrische Einrichtungen setzen thermische Energie mit Hilfe eines Temperaturgradienten in elektrische Energie um. Diese Einrichtungen weisen keine beweglichen Teile auf. Daher sind thermoelektrische Einrichtungen mit niedrigen Produktionskosten bei hohem Volumen verfügbar und weisen ein hohes Zuverlässigkeitspotential auf. Thermoelektrische Einrichtungen können zum Rückgewinnen ungenutzter thermischer Energie von auf Brennkraftmaschinen basierenden Fahrzeugen verwendet werden, beispielsweise, um elektrische Leistung unter Verwendung der heißen Abgasströmung zu erzeugen. Um den Temperaturgradienten über den thermoelektrischen Materialien zum Maximieren der elektrischen Leistungsausgabe zu maximieren, ist es wichtig, über effiziente Wärmetauscher an den heißen und kalten Seiten der thermoelektrischen Einrichtungen zu verfügen. Daher besteht ein Bedarf für verbesserte Wärmeaustauschermaterialien und Konzepte.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein thermoelektrisches Modul kann zwei oder mehr Elemente aus n-dotierten und p-dotierten Halbleitermaterialien umfassen, die elektrisch in Reihe und thermisch parallel geschaltet sind. Diese thermoelektrischen Elemente und ihre elektrischen Verbindungsstellen sind oft zwischen zwei Keramiksubstrate montiert. Die thermoelektrischen Elemente sind mit einer oder mehreren Verbindungen an einer Hochtemperaturseite des Moduls und mit einer oder mehreren Verbindungen an einer Seite des Moduls mit niedrigerer Temperatur montiert. Die Substrate halten die Gesamtstruktur zusammen und isolieren einzelne Elemente auf elektrische Weise voneinander und von externen Montageflächen. Als Beispiel bewegen sich viele thermoelektrische Module in einer Größe von etwa 2,5 bis 50 mm² in der Fläche und 2,5 bis 5 mm in der Höhe. Allgemein erzeugt ein Modul eine größere elektrische Ausgabe, wenn es eine größere Temperaturdifferenz zwischen seinen heißen und kalten Verbindungen erfährt.
Bei vielen Kraftfahrzeugen erzeugt eine mit Kohlenwasserstoff gespeiste Brennkraftmaschine heißes Abgas, das durch ein Auspuffrohr an die Atmosphäre freigesetzt wird. Das heiße Abgas stellt eine Quelle mit relativ hoher Temperatur bereit, die an den Hochtemperaturverbindungen einer oder mehrerer thermoelektrischer Einrichtungen ausgenutzt werden kann. Eine Gruppierung derartiger thermoelektrischer Einrichtungen kann beispielsweise entlang einer Abgasleitung angeordnet sein, wobei die Hochtemperaturseiten der Einrichtungen in Wärmeaustauschkontakt mit der heißen fließenden Gasströmung stehen. Auf ähnliche Weise wird die Maschine typischerweise unter Verwendung einer Kühlmittelflüssigkeit gekühlt, die innerhalb der Maschine zirkuliert und durch sie erwärmt wird. Das Kühlmittel zirkuliert dann durch einen Wärmetauscher, um seine Wärme an Umgebungsluft freizusetzen. Obwohl ein flüssiges Kühlmittel eine niedrigere Temperatur als das Verbrennungsabgas aufweist, bietet auch das Kühlmittel eine Quelle mit relativ hoher Temperatur zum Betreiben einer Gruppierung von thermoelektrischen Einrichtungen. In beiden Situationen kann Umgebungsluft die Niedertemperaturseite einer zwischengeschalteten thermoelektrischen Einrichtung bereitstellen. Um die Betriebseffizienz eines thermoelektrischen Systems, das eine derartige Hochtemperaturquelle verwendet, zu verbessern, ist es notwendig, die Wärmeübertragung an heißen und kalten Verbindungen der thermoelektrischen Einrichtung zu verbessern. Derartige Gruppierungen oder Kombinationen von thermoelektrischen Leistungserzeugungseinrichtungen können für einen seriellen elektrischen Stromfluss und/oder einen parallelen elektrischen Stromfluss verbunden sein, um erzeugte elektrische Leistung an eine Batterie zur Speicherung oder an eine Verbrauchereinrichtung für elektrische Leistung an dem Fahrzeug oder in der Nähe einer stationären Maschine zu leiten.
Diese Erfindung stellt eine Kombination aus (i) einem leichten offenporigen Schaummaterial mit sehr hoher thermischer Leitfähigkeit und (ii) einer thermoelektrischen Einrichtung zur verbesserten Verwendung einer heißen Fluidströmung, die mit einer Fahrzeugmaschine verbunden ist, (und/oder einer relativ kühlen Strömung von Umgebungsluft) bereit. Diese Kombination ist entworfen, um eine hohe elektrische Ausgabe zum Versorgen einer elektrischen Einrichtung an einem Fahrzeug mit Leistung zu erzeugen.
Bei einer Ausführungsform kann der Schaum mit hoher thermischer Leitfähigkeit ein Kohlenstoffschaum sein, ein Material, das aus Graphitfasern gebildet wird. Ein derartiges Kohlenstoffmaterial kann aus Pech produziert werden. Der Körper oder die Schicht aus Graphitschaum wird verwendet, um die Wärmeübertragung von einer heißen Maschinenabgasströmung oder einer heißen Maschinenkühlmittelströmung an die Hochtemperaturseite einer thermoelektrischen Einrichtung zu erhöhen. Der Schaumkörper ist konzipiert und wird verwendet, um die Temperatur der Hochtemperaturseite zu erhöhen. Bei einer anderen Ausführungsform kann ein Körper aus Graphitschaum verwendet werden, um die Wärmeübertragung zwischen Umgebungsluft und der Niedertemperaturseite einer thermoelektrischen Einrichtung zu verbessern. Wieder ist der Schaumkörper konzipiert und wird verwendet, um die Temperatur der Niedertemperaturseite der thermoelektrischen Einrichtung zu verringern.
Somit wird der Schaum verwendet, um die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Seiten der thermoelektrischen Einrichtung zu erhöhen, um die Effektivität der Einrichtung zu erhöhen. Die hochgradig offenen Poren des Schaums ermöglichen beispielsweise zumindest eine gewisse Abgasströmung durch ihn hindurch für eine verbesserte Wärmeübertragung an die heiße Seite der thermoelektrischen Einrichtung. Und gleichermaßen kann der Schaum eine interne Umgebungsluftströmung für eine verbesserte Wärmeübertragung von der thermoelektrischen Einrichtung und eine niedrigere Temperatur an ihrer kalten Seite ermöglichen.
Die niedrige Dichte des Schaums ermöglicht den Entwurf von effektiven Wärmeübertragungsstrecken an die und von der bzw. den thermoelektrischen Einrichtung(en), ohne einem Fahrzeug wesentliches Gewicht hinzuzufügen.
Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden anhand einer Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen der Erfindung, welche in dieser Beschreibung folgt, besser offensichtlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Veranschaulichung einer thermoelektrischen Einrichtung, die leitfähige Strecken vom p-n-Typ verwendet. Die ein elektrisches Potential erzeugende Einrichtung weist eine Hochtemperaturseite und eine Niedertemperaturseite auf, wobei eine externe elektrische Schaltung mit der Niedertemperaturseite verbunden ist.
2 ist eine Querschnittsansicht eines thermoelektrischen Rückgewinnungssystems für ungenutzte Wärme an einer Stelle in einer Abgasleitung für eine Kraftfahrzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das veranschaulichte System umfasst ein Auspuffrohr von einer Brennkraftmaschine, welches einen porösen Schaum enthält, durch welchen das heiße Abgas strömt. Um die heiße Abgasleitung herum beabstandet sind vier thermoelektrische Einrichtungen, deren Hochtemperaturseiten in Kontakt mit dem heißen Auspuffrohr stehen und deren kalte Seiten mit einer äußeren Röhre in Eingriff stehen, die einen zusätzlichen Zylinder aus porösem Kohlenstoff für eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit an eine Umgebungsluft, die an dem Auspuffrohr vorbeiströmt, trägt.
3 ist ein thermoelektrisches Rückgewinnungssystem für ungenutzte Wärme gemäß einer weiteren Ausführungsform. Die Veranschaulichung ist ein axialer Querschnitt eines Auspuffrohrs für eine Fahrzeugmaschine, der eine andere Entwurfsgestalt für den porösen Schaum und die Strömung von heißem Abgas in der Leitung zeigt.
4 ist ein thermoelektrisches Rückgewinnungssystem für ungenutzte Wärme gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Die Veranschaulichung zeigt Maschinenkühlmittel- und Luftströmungsstrecken in einem Wärmetauscher für Maschinenkühlmittel. Thermoelektrische Einrichtungen mit porösen Schaumstrukturen an ihren Niedertemperaturseiten sind in die Luftdurchgänge eingebaut.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform umfasst ein thermoelektrisches System, das einen Schaum mit hoher Leitfähigkeit umfasst, um ungenutzte thermische Energie, die aus einer Brennkraftmaschine aufgenommen wurde, in elektrische Leistung umzusetzen. Die ungenutzte thermische Energie kann aus Abgasen oder Kühlmittel aus der Brennkraftmaschine aufgenommen werden. Die ungenutzte thermische Energie kann eine beliebige thermische Energie umfassen, die verfügbar ist, nachdem die Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs ihre normalen Funktionen ausgeführt hat, wie zum Beispiel Wärme, die in den Abgasen verbleibt, oder Wärme, die an ein flüssiges Kühlmittel übertragen wird.
1 zeigt eine thermoelektrische Einrichtung oder ein Modul 10 zur Erzeugung eines elektrischen Potentials und eines elektrischen Gleichstroms. Eine thermoelektrische Einrichtung ist eine Halbleitereinrichtung ohne bewegliche Teile, die zur Verwendung einer Temperaturdifferenz in der Lage ist, um elektrische Leistung ohne mechanische Bewegung zu erzeugen. Die thermoelektrische Einrichtung 10 umfasst eine Hochtemperatur- oder heiße Seite 12 und eine Niedertemperatur- oder kalte Seite 14. Die Hochtemperaturseite 12 steht in Kontakt mit einer Wärmequelle mit einer hohen Temperatur T_H und kann teilweise durch eine Scheibe oder ein Substrat 18 definiert sein. Die Niedertemperaturseite 14 steht in Kontakt mit einer Wärmesenke mit einer niedrigen Temperatur T_C < T_H und kann teilweise durch eine Scheibe oder ein Substrat 20 definiert sein. Die Scheiben 18 und 20 können aus keramischen Materialien bestehen, die elektrische Isolatoren und Wärmeleiter sind.
Bei dieser Ausführungsform umfasst die thermoelektrische Einrichtung oder das Modul 10 eine Vielzahl von Elementen aus komplementären thermoelektrischen Materialien, die in 1 allgemein mit 22 bezeichnet sind. Ein Satz thermoelektrischer Elemente besteht aus einem thermoelektrischen Halbleitermaterial vom n-Typ (negativen Typ) (in 1 als N beschriftet) und ein zweiter komplementärer Satz thermoelektrischer Elemente besteht aus einem thermoelektrischen Halbleitermaterial vom p-Typ (positiven Typ) (in 1 als P beschriftet). Das thermoelektrische N-Halbleitermaterial wird gebildet, indem Verunreinigungen hinzugefügt werden, die ein Valenzelektron mehr als das Halbleiterbasismaterial aufweisen, während das thermoelektrische P-Halbleitermaterial gebildet wird, indem Verunreinigungen hinzugefügt werden, die ein Valenzelektron weniger als das Halbleiterbasismaterial aufweisen. Die thermoelektrische Einrichtung 10 kann eine beliebige geeignete Anzahl von thermoelektrischen N- und P-Halbleiterelementen aufweisen, zum Beispiel kann sie mehrere zehn oder mehrere hundert oder mehr Paare von N- und P-Halbleitern aufweisen. Wie in 1 gezeigt ist, sind die thermoelektrischen Elemente mit abwechselnden Paaren von N- und P-Elementen angeordnet.
Bei der Ausführungsform von 1 sind benachbarte Paare thermoelektrischer N- und P-Elemente an einer Seite miteinander direkt elektrisch verbunden und an der anderen Seite durch ein weiteres Paar von Elemen ten und die Schaltung indirekt miteinander verbunden. Ein elektrischer Verbinder 30, der ein beliebiges geeignetes elektrisches Verbindungsstellenmaterial sein kann, kann verwendet werden, um eine elektrische Leitung zwischen zwei beliebigen benachbarten thermoelektrischen N- und P-Halbleitern bereitzustellen. Elektronen bewegen sich von einem thermoelektrischen Element N eines Halbleiters vom n-Typ zu einem benachbarten thermoelektrischen Element P eines Halbleiters vom p-Typ durch den elektrischen Verbinder 30. Zwei benachbarte Paare von Halbleitern N und P sind elektrisch in Reihe verbunden, d. h., ein Halbleiter P vom p-Typ eines Paars ist mit einem Halbleiter N vom n-Typ eines benachbarten Paars direkt verbunden oder umgekehrt.
Die komplementären Paare thermoelektrischer Elemente stehen in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit ihren jeweiligen Hochtemperaturseiten 12 und den Niedertemperaturseiten 14. Der Temperaturgradient zwischen der heißen Seite 12 und der kalten Seite 14 bewirkt, dass sich die Elektronen in den thermoelektrischen Elementpaaren von der heißen Seite 12 weg und zu der kalten Seite 14 hin bewegen. Die Elektronen springen in einen höheren Energiestatus, indem sie thermische Energie bei der Hochtemperaturseite 12 absorbieren. Die Elektronen strömen von jeder Paarung eines Halbleiters N vom n-Typ durch den elektrischen Verbinder 30 zu einem benachbarten Halbleiter P vom p-Typ, wobei sie in einen niedrigeren Energiestatus fallen und Energie durch die Niedertemperaturseite 14 freisetzen. Somit wird ein elektrischer Strom in jedem thermoelektrischen Modul in eine Richtung vom Halbleiter N vom n-Typ zum Halbleiter P vom p-Typ erzeugt. Wie in 1 gezeigt ist, ist eine externe elektrische Schaltung mit der Niedertemperaturseite 14 verbunden.
Die elektrische Leistungserzeugung wird erhöht, indem die Temperaturdifferenz zwischen der heißen Seite 12 und der kalten Seite 14 erhöht wird, und indem thermoelektrische Materialien 22 mit größeren ZT-Werten verwendet werden, wobei ZT die thermoelektrische Gütezahl ist. ZT ist ein dimensionsloser Parameter und verkörpert die Beziehung der Umwandlungseffizienz (d. h. von thermischer Energie in elektrische Energie) zu Materialeigenschaften. ZT wird üblicherweise definiert als: ZT = S²σT/k, wobei S, σ, k, T der Seebeck-Koeffizient, die elektrische Leitfähigkeit, die thermische Leitfähigkeit bzw. die absolute Temperatur sind. Je größer die ZT ist, desto höher ist die Umwandlungseffizienz des thermoelektrischen Materials. Ein effizientes thermoelektrisches Material sollte einen großen Seebeck-Koeffizienten, eine hohe elektrische Leitfähigkeit und eine niedrige thermische Leitfähigkeit aufweisen. Das thermoelektrische Material 22 kann beispielsweise, aber ohne Einschränkung, ein Skutterudit, eine auf Bi₂Te₃ basierende Legierung, Zn₄Sb₃, eine PbSeTe/PbTe-Quantenpunkt-Überstruktur, eine Bi₂Te₃/Sb₂Te₃-Überstruktur, AgPb₁₈SbTe₂₀, eine auf PbTe basierende Legierung, eine auf SiGe basierende Legierung oder ein anderes hocheffizientes thermoelektrisches Material sein. Das thermoelektrische Material 22 kann mit Verunreinigungen dotiert sein, um das Material vom n-Typ zu bilden, und es kann mit Verunreinigungen dotiert sein, um das Material vom p-Typ zu bilden.
Bei einer Ausführungsform ist die Quelle der Wärme, die an das thermoelektrische Material übertragen wird, um Elektrizität zu erzeugen, eine Kohlenwasserstoff-Brennkraftmaschine (wie etwa Diesel, Benzin und dergleichen), die einen erwärmten Ausfluss erzeugt. Ein Beispiel eines erwärmten Ausflusses ist erwärmtes Abgas. Ein anderes Beispiel eines erwärmten Ausflusses ist flüssiges Kühlmittel in einem Radiator. Die thermoelektrische Einrichtung 10 kann daher dazu dienen, die Abgasströmung oder das flüssige Kühlmittel zu kühlen und thermische Energie in elektrische Energie umzusetzen.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Temperaturgradient zwischen der heißen Seite 12 und der kalten Seite 14 erhöht werden, indem ein Schaummaterial mit hoher Leitfähigkeit verwendet wird (in 2–4 als 38, 39, 237, 238, 239 und 338 gezeigt). Der Schaum wird verwendet, um die Temperaturdifferenz zwischen den heißen und kalten Seiten der thermoelektrischen Einrichtung zu erhöhen, um dadurch die Effektivität der Einrichtung zu erhöhen. Bei einer Ausführungsform kann das Schaummaterial mit hoher Leitfähigkeit ein Kohlenstoffschaum sein, der auch Graphitschaum genannt wird, wie in den US-Patenten mit den Nummern 6,033,506 und 6,037,032 beschrieben ist. Der Kohlenstoffschaum kann aus Pech geformt sein, zum Beispiel aus einem Pechpulver, Pechgranulaten oder Pech-Pellets.
Ein derartiger Kohlenstoffschaum weist eine extrem hohe thermische Diffusionsfähigkeit und Leitfähigkeit auf. Der Hauptteil der thermischen Leitfähigkeit des Kohlenstoffschaums bei Raumtemperatur kann beispielsweise von 50 W/m·K bis über 100 W/m·K reichen. Der gemeldete maximale Hauptteil an thermischer Leitfähigkeit beträgt 175 W/m·K. Wenn das Gewicht betrachtet wird, kann die spezifische thermische Leitfähigkeit des Kohlenstoffschaums mehr als viermal so groß wie die spezifische thermische Leitfähigkeit von Kupfer sein. Der Kohlenstoffschaum weist auch eine thermische Leitfähigkeit auf, die zu Aluminiumlegierungen mit dem gleichen Volumen und 1/5 des Gewichts des Kohlenstoffschaums äquivalent ist. Die Zellwände des Kohlenstoffschaums bestehen aus hochgradig ausgerichteten Graphitebenen oder Stegen, die Hochleistungskohlenstofffasern ähneln. Die thermische Leitfähigkeit der Stege innerhalb der Zellwände des Kohlenstoffschaums bei Raumtemperatur kann größer als 1700 W/m·K sein.
Die poröse Struktur und die leichte Natur des Kohlenstoffschaums ermöglichen die Ausbildung eines direkten Wärmetauschers. Die offene poröse Struktur des Kohlenstoffschaums führt zu einem spezifischen Oberflächenbereich von mehr als 4 m²/g, was mehr als 100-mal so groß wie derjenige von typischen Wärmetauschern ist. Die Größe der Poren im Kohlenstoffschaum kann etwa 50 bis 300 Mikron betragen. Der Kohlenstoffschaum weist auch eine niedrige Dichte von 0,2 bis 0,7 g/cm³ auf. Die einzigartige Kombination von Materialeigenschaften führt auch zu exzellenter akustischer Absorption und exzellentem Geräuschdämpfungsverhalten (geringe Geräusche). Tatsächlich kann ein gerippter Kühlkörper aus Kohlenstoffschaum bis zu 3-mal so effizient wie ein Aluminiumkühlkörper mit dem gleichen Volumen sein, jedoch mit 1/5-tel des Gewichts (effektiv pro Gramm des Kühlkörpers 5-mal so effizient). Die maximale Betriebstemperatur des Kohlenstoffschaums beträgt in Luft 500°C.
2 zeigt eine Ausführungsform eines thermoelektrischen Wärmerückgewinnungssystems 32, das eine thermoelektrische Einrichtung 110 zum Umsetzen von Wärme in einer Fahrzeugabgasströmung in elektrische Leistung umfasst. 2 ist eine Querschnittsansicht eines Auspuffrohrs, welche die Verwendung thermoelektrischer Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Leistung veranschaulicht. Die thermoelektrische Einrichtung 110 kann der thermoelektrischen Einrichtung 10 von 1 ähneln. Um die Veranschaulichung zu vereinfachen, sind die elektrischen Drähte von den thermoelektrischen Einrichtungen 110 in 2 nicht gezeigt. Derartige elektrische Verbindungen sind aber in 1 gezeigt und können zu einer Energiespeichereinrichtung, wie etwa einer Batterie, oder einer Einrichtung, die elektrische Leistung verbraucht, geführt sein.
Typischerweise verlässt das Abgas aus einer Brennkraftmaschine den Maschinenabgaskrümmer und tritt in ein Auspuffrohr 34 ein. Die Abgas strömung, welche die Maschine verlässt, kann eine Durchschnittstemperatur von 500–650 Grad Celsius aufweisen. Das Auspuffrohr 34 kann einen Katalysator, mindestens einen Schalldämpfer und einen Auspuff umfassen, bei dem das Gas in die Umgebungsluft austritt. Das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem kann entlang des Auspuffrohrs zwischen dem Katalysator und dem Auspuff positioniert sein. Das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem 32 setzt Wärme aus der Abgasströmung in elektrische Leistung um. Bei einer Ausführungsform kann sich das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem entlang des Auspuffrohrs 34 über 30 bis 60 cm (ein bis zwei Fuß) erstrecken.
Das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem 32 umfasst die thermoelektrische Einrichtung 110, die zwischen dem Auspuffrohr 34 und einem Gehäuse- oder Hüllrohr 36 positioniert und befestigt ist. Bei einer Ausführungsform kann das Hüllrohr 36 aus Edelstahl bestehen. Bei dieser Ausführungsform weisen das Auspuffrohr 34 und das Hüllrohr 36 einen runden Querschnitt auf. Das Auspuffrohr kann mit porösem Graphitschaum 38 gefüllt sein. Die Größe des Rohrs und die Länge des Schaums 38 im Rohr 34 sind so entworfen, dass eine geeignete Abgasströmung ohne übermäßigen Gegendruck möglich ist. Der Kohlenstoffschaum 38 kann Durchgänge 41 umfassen, die sich über die Länge des Kohlenstoffschaums 38 im Rohr 34 erstrecken. Das Abgas strömt durch den thermisch hochgradig leitfähigen Schaum und/oder die Durchgänge 41 im Schaum, um die Temperatur der Innenoberfläche des Auspuffrohrs 34 zu erhöhen. Die Durchgänge 41 können zum Beibehalten des gewünschten Gegendrucks und zu einer besseren Wärmeaustauscheffizienz beitragen. Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Durchgänge 41 Muster mit durchgängiger Dicke umfassen, die in den Kohlenstoffschaumblock maschinell gearbeitet, geschnitzt oder geschnitten sein können. Die Durchgänge 41 können eine beliebige Gestalt und Abmes sung aufweisen. Die Durchgänge 41 können beispielsweise einen kreisförmigen Querschnitt mit variierenden Durchmessern aufweisen. Oder die Durchgänge 41 können beispielsweise Schlitze oder Linien sein, die parallel verlaufen oder sich kreuzen.
Eine beliebige geeignete Anzahl von Halbleiterpaaren 124 (in 2 sind vier gezeigt) kann entlang der Außenoberfläche des Auspuffrohrs 34 positioniert sein. Eine heiße Seite 112 der thermoelektrischen Einrichtung 110 kann dort angeordnet sein, wo die Einrichtung das Auspuffrohr 34 berührt. Das durch das Auspuffrohr 34 und den Schaum 38 strömende Abgas erwärmt die heiße Seite 112 der thermoelektrischen Einrichtung 110. Eine kalte Seite 114 kann dort angeordnet sein, wo die Einrichtung 110 das Hüllrohr 36 berührt. Luft, die an der Außenseite des Hüllrohrs 36 vorbeiströmt, kühlt die kalte Seite 114. Das Erwärmen der heißen Seite 112 und das Kühlen der kalten Seite 114 erzeugt einen Temperaturgradienten oder eine Temperaturdifferenz im thermoelektrischen Wärmerückgewinnungssystem 32. In Ansprechen auf den Temperaturgradienten erzeugt das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem 32 elektrische Leistung. Die Menge an erzeugter elektrischer Leistung kann mit der Strömung von Abgasen aus der Brennkraftmaschine und mit dem Typ des thermoelektrischen Materials 122 variieren, das in der thermoelektrischen Einrichtung 110 verwendet wird.
Das Schaummaterial mit hoher Leitfähigkeit kann in der Form eines Körpers oder einer Schicht vorhanden sein und kann als ein Wärmetauscher an der heißen Seite und/oder der kalten Seite des thermoelektrischen Systems 32 verwendet werden. Das Schaummaterial 38 im Auspuffrohr 34 wird verwendet, um die Wärmeübertragung von einer heißen Strömung an die Hochtemperaturseite 12 der thermoelektrischen Einrichtung 10 zu erhöhen. Das Schaummaterial 38 erhöht die Temperatur der Hochtemperaturseite 12. Bei einer anderen Ausführungsform kann ähnliches Schaummaterial 39 verwendet werden, um die thermische Leitfähigkeit zwischen einem kalten Fluid, zum Beispiel Umgebungsluft, und der Niedertemperaturseite 14 der thermoelektrischen Einrichtung 10 zu verbessern. In 2 verringert die zylindrische Schicht aus Schaummaterial 39 an der Hülle 36 die Temperatur der Niedertemperaturseite 114 der thermoelektrischen Einrichtung 110. Umgebungsluft strömt in oder durch die Schaummantelschicht 39.
3 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines thermoelektrischen Wärmerückgewinnungssystems 232, das eine thermoelektrische Einrichtung 210 zum Umsetzen von Wärme in einer Fahrzeugabgasströmung in elektrische Leistung umfasst. Die thermoelektrische Einrichtung 210 kann der thermoelektrischen Einrichtung 10 von 1 ähneln. 3 veranschaulicht einen axialen Querschnitt einer Fahrzeugabgasleitung 234. Bei einer Ausführungsform kann die Gasleitung 234 aus Edelstahl bestehen. Das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem 232 weist eine andere Entwurfsgestalt für den porösen Schaum und für die Strömung von heißem Abgas in der Leitung auf als das System 32 von 2. Das durch das Auspuffrohr 234 strömende Abgas erwärmt eine heiße Seite 212 der thermoelektrischen Einrichtung 210. Luft, die an der Außenseite eines Hüllrohrs 236 vorbeiströmt, kühlt eine kalte Seite 214 der thermoelektrischen Einrichtung 210. Bei der gezeigten Ausführungsform sind viele thermoelektrische Einrichtungen 210 entlang des axialen Querschnitts der Gasleitung 234 sowohl an den heißen Seiten 212 als auch den kalten Seiten 214 angeordnet. Bei verschiedenen Ausführungsformen können auch zahlreiche thermoelektrische Einrichtungen 210 entlang der Länge der Gasleitung 234 stromaufwärts oder stromabwärts zu dem in 3 gezeigten axialen Querschnitt angeordnet sein. Bei einer Ausführungsform liegt der poröse Schaum, zum Beispiel ein Graphitschaum, nicht in der Gestalt eines gefüllten Zylinders vor. Hier umfasst die veranschaulichte Sektion der Abgasleitung eine allgemein hohle Graphitröhre 238 mit internen Rippen 237, die sich von der Röhrenwand weg radial nach innen erstrecken. Ein Graphitschaumabschnitt 239 kann auch über dem Hüllrohr 236 positioniert sein. Bei dieser Ausführungsform kann das Abgas rechtwinklig zur Querschnittsfläche strömen. Das Abgas kann durch Poren der Rippen 237 und der Röhrenwand strömen, um die Außenwandtemperatur zu erhöhen. Viele Halbleiterpaare 224 sind so platziert und befestigt, dass ihre Hochtemperaturverbindungen gegen die Außenoberfläche der Röhrenwand gedrückt sind.
Mit Bezug auf 4 gewinnt ein thermoelektrisches Rückgewinnungssystem 332 für ungenutzte Wärme bei einer anderen Ausführungsform Wärme aus Strömen 44 aus flüssigem Kühlmittel eines Radiators (Wärmetauschers) 46 zurück. In 4 sind nur ein Bruchstück des Radiators 46 und seiner Strömungsdurchgänge veranschaulicht. Eine thermoelektrische Einrichtung 310 steht in einer Wärmeaustauschbeziehung mit dem flüssigen Kühlmittel 44. Die thermoelektrische Einrichtung 310 kann der thermoelektrischen Einrichtung 10 von 1 ähneln. Bei einer Ausführungsform kann das flüssige Kühlmittel etwa 100°C betragen. Der Radiator 46 umfasst Röhren 48 und Kühlrippen oder Folien 50. Die Kühlrippen 50 können sich zwischen den Röhren 48 in einem Zickzackmuster erstrecken. Das flüssige Kühlmittel 44 strömt durch die Röhren 48, zum Beispiel Aluminiumröhren. Die Röhren 48 können horizontal oder vertikal orientiert sein. Wärme wird von dem flüssigen Kühlmittel 44 durch die Röhren 48 an die Kühlrippen 50 übertragen. Bei einer Ausführungsform bestehen die Kühlrippen 50 aus Aluminium. Luft strömt an den Kühlrippen 50 vorbei und wird von diesen erwärmt, und dann verlässt die Luft das Fahrzeug. Mindestens ein Ventilator kann an einer Seite des Radiators 46 positioniert sein, um eine Luftströmung an den Kühlrippen 50 vorbei aufrecht zu erhalten. Die Kühlrippen 50 erhöhen den Oberflächenbereich, der zur Wärmeübertragung verfügbar ist. Wie in 4 gezeigt ist, sind viele kleine thermoelektrische Einrichtungen 310 an den Kühlrippen 50 angebracht. Luft strömt um die Poren des Schaummaterials 338 herum und durch diese hindurch. Paare von Halbleitern 326 können an jeder Rippe 50 oder an einer geeigneten Anzahl von Rippen 50 angebracht sein. Eine heiße Seite 318 jeder thermoelektrischen Einrichtung 310 ist an den erwärmten Rippenoberflächen des Wärmetauschers befestigt und eine kalte Seite 320 ist der Luft ausgesetzt, die an den Kühlrippen 50 vorbeiströmt. Das Schaummaterial 338 ist entworfen und wird verwendet, um die Temperatur der kalten Seite 320 zu verringern.
Die elektrische Leistung, die von den thermoelektrischen Wärmerückgewinnungssystemen 32, 232 oder 332 erzeugt wird, kann in einer Energiespeichereinrichtung gespeichert werden. Bei einer Ausführungsform kann das thermoelektrische Wärmerückgewinnungssystem 32, 232 oder 332 mit einem thermoelektrischen Leistungssteuerungssystem elektrisch verbunden sein, welches den Fluss von elektrischer Leistung von dem System 32, 232 oder 332 an elektrische Leistungssteuerungen steuert. Eine Energiespeichereinrichtung, wie etwa eine Batterie oder Kondensatoren, kann beispielsweise mit den elektrischen Leistungssteuerungen elektrisch verbunden sein, um elektrische Leistung zu speichern, die von dem thermoelektrischen Wärmerückgewinnungssystem 32, 232 oder 332 erzeugt wird. Die elektrische Leistung kann dann im Fahrzeug verwendet werden.
Ferner versteht es sich, dass die Erfindung thermoelektrische Wärmerückgewinnungssysteme 32, 232 und 332 umfasst, die Wärme zurückgewinnen, die von einer beliebigen Fahrzeuganwendung freigesetzt wird. Der Begriff „Fahrzeug” umfasst alle Einrichtungen und Strukturen zum Transportieren von Personen oder Sachen, einschließlich von Kraftfahrzeugen, Autos, Lastwägen, Bussen, Motorrädern, Lokomotiven, Schiffen, Flugzeugen, Raumfahrtausrüstung und dergleichen.
Die Umsetzung der Erfindung in die Praxis wurde mit einigen Ausführungsformen veranschaulicht, aber der Umfang der Erfindung ist nicht auf derartige Beispiele beschränkt.
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 6033506 [0023]
- US 6037032 [0023]

Claims

Thermoelektrisches Fahrzeugsystem an Bord eines Fahrzeugs zum Erzeugen elektrischer Energie unter Verwendung einer Fluidströmung, die über eine Umgebungslufttemperatur erwärmt ist und in einer Leitung für eine erwärmte Fluidströmung von einer Brennkraftmaschine, welche das Fahrzeug antreibt, weg strömt, wobei die Leitung für eine erwärmte Fluidströmung in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit Luft steht, die das Fahrzeug umgibt; wobei das thermoelektrische System umfasst: mindestens eine thermoelektrische Einrichtung mit mindestens einer Hochtemperaturverbindung von leitfähigen Elementen und mindestens einer Niedertemperaturverbindung von leitfähigen Elementen zum Erzeugen eines elektrischen Potentials, wenn die Hochtemperaturverbindung und die Niedertemperaturverbindung einen Temperaturunterschied erfahren, wobei die thermoelektrische Einrichtung an dem Fahrzeug so angeordnet ist, dass ihre Hochtemperaturverbindung in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit der Leitung für eine erwärmte Fluidströmung steht und ihre Niedertemperaturverbindung in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit Umgebungsluft angeordnet ist; und einen Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit in Wärmeübertragungskontakt mit der Hochtemperaturverbindung und/oder der Niedertemperaturverbindung der thermoelektrischen Einrichtung, wobei der Schaumkörper so geformt und angeordnet ist, dass die Wärmeübertragung von der erwärmten Fluidströmung an die Hochtemperaturverbindung erhöht wird oder die Wärmeübertragung von der Niedertemperaturverbindung der thermoelektrischen Einrichtung erhöht wird.
System nach Anspruch 1, wobei der Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit einen Kohlenstoffschaum umfasst.
System nach Anspruch 2, wobei der Kohlenstoffschaum aus Pech gebildet ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Leitung für eine erwärmte Fluidströmung ein Auspuffrohr ist und die erwärmte Fluidströmung Abgas ist, wobei der Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit insbesondere im Inneren des Auspuffrohrs positioniert ist.
System nach Anspruch 4, das ferner ein Gehäuse um das Auspuffrohr herum und einen zweiten Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit umfasst, wobei die thermoelektrische Einrichtung an einer Seite des Gehäuses positioniert ist und der zweite Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit an der anderen Seite des Gehäuses positioniert ist.
System nach Anspruch 5, wobei der zweite Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit einen Kohlenstoffschaum umfasst, wobei der Kohlenstoffschaum insbesondere aus Pech geformt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Leitung für eine erwärmte Fluidströmung eine Radi atorröhre ist und die erwärmte Fluidströmung ein flüssiges Kühlmittel ist, das ferner insbesondere mindestens eine Radiatorrippe umfasst und wobei die thermoelektrische Einrichtung und der Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit an der Radiatorrippe positioniert sind.
System nach Anspruch 1, wobei die thermoelektrische Einrichtung ein thermoelektrisches Material umfasst, wobei das thermoelektrische Material mindestens eines von ein Skutterudit, eine auf Bi₂Te₃ basierende Legierung, Zn₄Sb₃, eine PbSeTe/PbTe-Quantenpunkt-Überstruktur, eine Bi₂Te₃/Sb₂Te₃-Überstruktur, AgPb₁₈SbTe₂₀, eine auf PbTe basierende Legierung, eine auf SiGe basierende Legierung oder ein anderes hochgradig effizientes thermoelektrisches Material umfasst.
System nach Anspruch 1, wobei der Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit mindestens eine Pore umfasst, durch welche die erwärmte Fluidströmung oder die kalte Fluidströmung fließt.
Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie an Bord eines Fahrzeugs unter Verwendung einer Fluidströmung, die über eine Umgebungslufttemperatur erwärmt ist, wobei das Verfahren umfasst, dass: mindestens eine thermoelektrische Einrichtung bereitgestellt wird, die mindestens eine Hochtemperaturverbindung von leitfähigen Elementen und mindestens eine Niedertemperaturverbindung von leitfähigen Elementen aufweist, wobei die thermoelektrische Einrichtung an dem Fahrzeug mit ihrer Hochtemperaturverbindung in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einer Leitung für eine erwärmte Fluidströmung angeordnet ist und ihre Niedertemperaturverbindung in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit Umgebungsluft angeordnet ist; die erwärmte Fluidströmung in der Leitung für eine erwärmte Fluidströmung von einer Brennkraftmaschine, die das Fahrzeug antreibt, strömen gelassen wird, wobei die Leitung für eine erwärmte Fluidströmung in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit Luft steht, die das Fahrzeug umgibt; ein Körper aus Schaum mit hoher Leitfähigkeit in Wärmeübertragungskontakt mit der Hochtemperaturverbindung und/oder der Niedertemperaturverbindung der thermoelektrischen Einrichtung bereitgestellt wird, wobei der Schaumkörper geformt und angeordnet ist, um eine Wärmeübertragung von der erwärmten Fluidströmung an die Hochtemperaturverbindung zu erhöhen oder um eine Wärmeübertragung von der Niedertemperaturverbindung der thermoelektrischen Einrichtung zu erhöhen; thermische Energie von der erwärmten Fluidströmung unter Verwendung der thermoelektrischen Einrichtung aufgenommen wird, wenn die Hochtemperaturverbindung und die Niedertemperaturverbindung einen Temperaturunterschied erfahren; und die thermische Energie in elektrische Leistung umgesetzt wird, wobei insbesondere die Leitung für eine erwärmte Fluidströmung ein Auspuffrohr ist und die erwärmte Fluidströmung Abgas ist, und/oder wobei die Leitung für eine erwärmte Fluidströmung eine Radiatorröhre ist und die erwärmte Fluidströmung ein flüssiges Kühlmittel ist, und/oder wobei der Körper aus Schaum mit hoher Leitfähig keit einen Kohlenstoffschaum umfasst, und/oder wobei der Kohlenstoffschaum aus Pech gebildet ist.