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Die Erfindung betrifft die Nutzung bzw. Wandlung von Wärmeenergie in eine für Fahrzeuge nutzbare Energieform mit Hilfe von nachfolgend als Wärmeenergiewandler bezeichneten Einrichtungen. Unter dem Begriff nutzbare Energie ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl mechanische Arbeit als auch elektrische Energie zu verstehen. Wärmeenergiewandler zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit werden im Allgemeinen und auch nachfolgend als Wärmekraftmaschinen bezeichnet.
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Wärmeenergie tritt in Form einer Temperaturdifferenz zwischen zwei Orten auf, wobei der Wärmeenergiewandler das höhere Temperaturniveau als Bezugsquelle für die Wärmeenergie nutzt, also quasi von dort Energie bezieht. Dabei wird ein Anteil der aufgenommenen Wärmeenergie als Abwärme an das niedrigere Temperaturniveau abgegeben und ein weiterer Anteil in mechanische oder elektrische Energie umgewandelt. Die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit oder elektrische Energie ist durch den Carnot-Wirkungsgrad als theoretische Höchstgrenze für alle thermodynamischen Kreisprozesse begrenzt.
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Verschiedene Ausführungen von Wärmeenergiewandlern und Wärmekraftmaschinen sind der Deutschen Offenlegungsschrift
DE 103 30 574 A1 zu entnehmen. Diese beschreibt Wärmeenergiewandler, die eine thermoelektrische Energieumwandlung auf Basis des Seebeck-Effekts erzielen, und Wärmekraftmaschinen in Form von Sterling-Motoren, die durch einen Kreisprozess in einem geschlossenen Gas-Raum Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln. Des Weiteren werden Wärmekraftmaschinen beschrieben, die auf der Formänderung sogenannter Formgedächtnis-Werkstoffe basieren, die bei Temperaturänderung Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandeln. Die Formänderung dieser Formgedächtnis-Werkstoffe – im Englischen „Shape Memory Effect” genannt – beruht auf der Phasenumwandlung zwischen einem martensitischem und austenitischem Metallgitter-Gefüge. Werkstoffe, die Formgedächtnis-Eigenschaften aufweisen, werden aus Metall-Legierungen sowie aus Formgedächtnis-Polymeren hergestellt.
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In der praktischen Anwendung von Wärmeenergiewandlern sind geeignete Bezugsquellen für die Wärmeenergie erforderlich. Bei der Energiegewinnung in Fahrzeugen stellt die Bezugsquelle für die Wärmeenergie ein Problem dar, da Fahrzeuge während des Betriebs als autonome Systeme ohne kontinuierliche Energiezufuhr von einer externen Quelle funktionieren müssen.
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Der Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie für ein Fahrzeug anzugeben, bei der eine geeignete und mit hoher Verlässlichkeit verfügbare Bezugsquelle für die Wärmeenergie vorhanden ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß ist bei einer Vorrichtung zum Nutzbarmachen von Wärmeenergie für ein Fahrzeug ein Wärmeenergiewandler vorgesehen, der Wärmeenergie aus einer Bezugsquelle bezieht und diese Wärmeenergie in für das Fahrzeug nutzbare Energie wandelt, wobei der Wärmeenergiewandler im Fahrzeug angeordnet ist und wobei die Bezugsquelle des Wärmeenergiewandlers die Straßenoberfläche ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in dem einfachen Bezug der Wärmeenergie. Unabhängig davon, ob sich das Fahrzeug bewegt oder steht, kann von der Straßenoberfläche abgestrahlte Wärme von einem Medium am Fahrzeugboden aufgenommen und an einen Wärmeenergiewandler abgegeben werden.
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Ein besonders vorteilhafter Anwendungsfall ist die Bewegung oder das Parken des Fahrzeugs bei Sonnenschein. Hierbei heizt sich die Straßenoberfläche (Wärmequelle) im Vergleich zur Umgebungsluft (Wärmesenke) stark auf. Damit ist ein System gegeben, welches ein hohes Wärmeniveau in Form der Straßenoberfläche und ein niedriges Wärmeniveau in Form der Umgebungsluft aufweist und damit aufgrund der Abhängigkeit der gewinnbaren Energie von der Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke besonders effektiv arbeiten kann.
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Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, der Zeichnungen und deren jeweiliger Beschreibung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeenergiewandler ein Stirlingmotor. Durch diese Ausgestaltung ist ein Wärmeenergiewandler in Form einer Wärmekraftmaschine mit einem besonders hohen Wirkungsgrad realisiert.
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Die beim Kreisprozess des Stirlingmotors gewonnene mechanische Arbeit kann mit einem elektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden. Die elektrische Energie kann zur späteren Verwendung in einer Batterie gespeichert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Wärmeenergiewandler ein thermoelektrischer Generator. Dadurch ist eine besonders Platz und Gewicht sparende Ausführung eines Wärmeenergiewandlers realisiert, der zudem keine bewegten Bauteile enthält. Dabei wird die Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umgewandelt, die zur späteren Verwendung in der Fahrzeugbatterie gespeichert werden kann.
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Der thermoelektrische Generator kann aus einem aus Halbleiterelementen aufgebauten Peltier-Element, auch thermoelektrisches Element genannt, realisiert sein.
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Gemäß einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeenergiewandler eine auf einem Formgedächtnis-Werkstoff basierende Wärmekraftmaschine. Diese Wärmekraftmaschine kann durch eine aus einem Formgedächtnis-Werkstoff hergestellte elastische Feder realisiert sein. Dabei kann es sich um einen sogenannten 2-Wege-Formgedächstniswerkstoff handeln, bei dem sich die Feder bei Erwärmung zusammenzieht und bei Abkühlung entspannt. Über ein System aus Umlenkrollen kann die Feder beispielsweise abwechselnd am hohen Temperaturniveau – also an der Bezugsquelle für Wärmeenergie (Wärmequelle) – und am niedrigen Temperaturniveau (Wärmesenke) vorbeigeführt werden. Durch einen derartigen Aufbau können die bei der Formänderung entstehenden Zugkräfte zum Antrieb der Umlenkrollen genutzt werden. Damit ist ein verhältnismäßig einfacher Aufbau eines Wärmeenergiewandlers in Form einer Wärmekraftmaschine gegeben.
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Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführung der Erfindung schirmt eine Schürze den aktuell als Bezugsquelle für die Wärmeenergie dienenden Bereich der Straßenoberfläche ab. Die Schürze hat insbesondere die Aufgabe, den genannten Bereich der Straßenoberfläche vor starker Belüftung zu schützen. Im Fahrbetrieb führt der Fahrtwind nämlich zu einer entlang des Fahrzeugbodens verlaufenden Belüftung. Dadurch könnte ein Teil der aufzunehmenden Wärmeenergie für die Umwandlung verloren gehen. Auch im Parkbetrieb bei gleichzeitigem Wind könnte ein Teil der Wärmeenergie durch den vom Wind erzeugten Luftstrom abgetragen werden, so dass für die Wandlung in nutzbare Energie nur noch Teil zur Verfügung stände. Durch die Schürze ist also eine zusätzliche Steigerung des Gesamtwirkungsgrades durch eine verbesserte Aufnahme der durch die Straßenoberfläche abgestrahlten Wärme gegeben.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erkennt ein Sensorsystem einen in Fahrrichtung liegenden Gegenstand und bewegt in diesem Fall die Schürze kollisionsvermeidend aus dem Weg des Gegenstands weg. Insbesondere wenn die Schürze während der Fahrt des Fahrzeugs aktiv ist, kann ein in Fahrtrichtung liegender Gegenstand wie z. B. ein Stein zu einer Beschädigung des Schürzensystems führen. Durch die genannte Ausgestaltung wird die Schürze zuverlässig vor Beschädigung durch einen auf der Fahrbahn liegenden Gegenstand geschützt.
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Das zur Erkennung von in Fahrtrichtung liegenden Gegenständen verwendete Sensorsystem kann einen Ultraschall-, Infrarot-, RADAR-, LIDAR-Sensor oder ein Kamerasystem umfassen.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Schürze elastisch verformbar. In dem Fall, dass kein Sensorsystem vorhanden ist oder ein Sensorsystem einen in Fahrtrichtung liegenden Gegenstand nicht erkennt – beispielsweise bei einer durch Nebel eingeschränkten Sicht oder bei Funktionsstörungen des Sensorsystems – könnte an einer starren Schürze bei Kollision mit dem Gegenstand erheblicher Schaden entstehen. Eine elastisch verformbare Schürze kann dagegen vorteilhafter Weise bei einer Kollision mit einem in Fahrtrichtung liegenden Gegenstand entgegen der Fahrtrichtung zurück schwingen, den Aufprall dämpfen und somit Kollisionsschäden an der Schürze verhindern.
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Das für die Herstellung der Schürze verwendete Material kann in vorteilhafter Weise derart ausgeführt sein, dass es sich allein durch die Einwirkung des Fahrtwindes nur in geringem Maße elastisch verformt. Somit bleibt die oben genannte Funktion, nämlich dass die Schürze den als Bezugsquelle für die Wärmeenergie dienenden Bereich abschirmt, gewahrt.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Schürze schwenkbar mit dem Fahrzeug verbunden. Auch bei dieser Ausgestaltung wird die Kollision eines vom Sensorsystem nicht erkannten Gegenstands mit der Schürze durch das entgegen der Fahrtrichtung und nach oben gerichtete Zurückschwenken der Schürze abgedämpft. Damit die Schürze nach der Kollision mit dem Gegenstand wieder in die Ausgangsposition gelangt, kann die Schürze am Fahrzeugboden an einem Gelenk mit Drehfedersystem aufgehängt sein.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung beispielhaft weiter erläutert. Dabei sind in den Figuren gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 als Tel eines Fahrzeugs 2, das sich auf einer Straßenoberfläche 3 in Fahrtrichtung 4 bewegt oder stillsteht. Die durch Sonnenstrahlung 5 aufgeheizte Straßenoberfläche 3 strahlt Wärme ab. Das sich auf der Straßenoberfläche 3 bewegende Fahrzeug 2 nimmt Wärmeenergie über eine Wärmeaufnahmeeinrichtung 6 auf, die diese Energie über eine Wärmeleiteinrichtung 7 an einen Wärmeenergiewandler 8 weiterleitet. In der gezeigten Ausführungsform kann der Wärmeenergiewandler als Stirlingmotor 9 oder als Anordnung von Formgedächtnis-Werkstoffen 10 zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit ausgeführt sein. Ein Generator 11 wandelt die erzeugte mechanische Arbeit in elektrische Energie um, die zur Speicherung einer Batterie 12 zugeführt wird und diese auflädt.
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Eine am Fahrzeugboden 13 angeordnete Schürze 14 dient zum Schutz des Bereichs 15 der Straßenoberfläche 3, der momentan als Bezugsbereich bzw. Bezugsquelle 16 für den Bezug von Wärmeenergie dient. Während der Fahrt dient die Schürze 14 insbesondere zum Schutz vor einer Belüftung durch den Fahrtwind 17. Im Stillstand oder bei geparktem Fahrzeug dient die Schürze 14 insbesondere zum Schutz vor einer Belüftung durch Luftströmungen oder Wind 18.
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Ein Sensorsystem 19 erkennt einen in Fahrtrichtung 4 gesehen vor dem Fahrzeug 2 auf der Straßenoberfläche 3 bzw. der Fahrbahn 20 liegenden Gegenstand 21. Bei Erkennen des Gegenstands 21, der für die Schürze eine Kollisions- und damit eine Beschädigungsgefahr darstellt, fährt die Schürze 14 in Einfahrrichtung 22 ein.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Schürze auch aus einem elastischen Material bestehen, das eine reversible Verformung der Schütze im Kollisionsfall erlaubt, und/oder die Schürze kann schwenkbar an dem Fahrzeug befestigt sein und im Kollisionsfall mit einem Gegenstand auf der Fahrbahn ausweichend wegschwenken.
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Die in 2 gezeigte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im Wesentlichen wie die in 1 gezeigte Vorrichtung aufgebaut. Wie bei der in 1 gezeigten Ausführungsform wird von der Straßenoberfläche 3 abgestrahlte Wärme von der Wärmeaufnahmeeinrichtung 6 aufgenommen und über die Wärmeleiteinrichtung 7 an einen Wärmenergiewandler 30 abgegeben. In der in 2 gezeigten Variante ist der Wärmeenergiewandler 30 als thermoelektrischer Generator 31 ausgeführt. Die erzeugte elektrische Energie wird zur Speicherung an eine Batterie 32 abgegeben.
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Während zumindest in der zusammenfassenden Beschreibung und in dem speziellen Beschreibungsteil und der zeichnerischen Darstellung mindestens ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, ist für den Fachmann ersichtlich, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten der Erfindung besteht. Es ist ebenso ersichtlich, dass das bzw. die Ausführungsbeispiele) nur beispielhaft zu verstehen sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise beschränken sollen. Vielmehr vermitteln die allgemeine Beschreibung, der spezielle Beschreibungsteil und die zeichnerische Darstellung dem Fachmann eine Anleitung, die es ihm erlaubt die Erfindung in wenigstens eine Ausführungsform umzusetzen, wobei selbstverständlich verschiedene Abwandlungen in der Funktion und Anordnung der einzelnen in dem/den Ausführungsbeispiel/en beschriebenen Elemente vorgenommen werden können, ohne den durch die nachfolgenden Patentansprüche und deren Äquivalente beanspruchten Schutzbereich zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Fahrzeug
- 3
- Straßenoberfläche
- 4
- Fahrtrichtung
- 5
- Sonnenstrahlung
- 6
- Wärmeaufnahmeeinrichtung
- 7
- Wärmeleiteinrichtung
- 8
- Wärmeenergiewandler
- 9
- Stirlingmotor
- 10
- Formgedächtnis-Werkstoffe
- 11
- Generator
- 12
- Batterie
- 13
- Fahrzeugboden
- 14
- Schürze
- 15
- Bereich
- 16
- Bezugsquelle
- 17
- Fahrtwind
- 18
- Wind
- 19
- Sensorsystem
- 20
- Fahrbahn
- 21
- Gegenstand
- 22
- Einfahrrichtung
- 30
- Wärmeenergiewandler
- 31
- thermoelektrischer Generator
- 32
- Batterie
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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