DE102010050284B4

DE102010050284B4 - Vorrichtung zur Nutzung der bei einem Bremsvorgang erzeugten Energie

Info

Publication number: DE102010050284B4
Application number: DE102010050284.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Buhlmann
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: DE102010050284A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Nutzung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels einer Bremsanlage (2) eines Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie, mit wenigstens einer wenigstens einen Reibring (4) aufweisenden Bremsscheibe (3) und mit wenigstens zwei von gegenüberliegenden Seiten auf den Reibring (4) wirkenden, mittels einer Halteeinrichtung (6) gehaltenen Reibbelägen (5), und mit einem thermoelektrischen Element (8), wobei das thermoelektrische Element (8) an einer von der wenigstens einen Bremsscheibe (3) mit bei dem Bremsvorgang entstehender thermischer Energie beaufschlagten Kontaktfläche (7) angebracht ist, wobei das thermoelektrisches Element (8) an der Halteeinrichtung (6) für die Reibbeläge (5) angebracht ist, und wobei das thermoelektrische Element (8) einen mit der Halteeinrichtung (6) in Kontakt stehenden ersten Halbleiterabschnitt (9) und einen von der Halteeinrichtung (6) beabstandeten, mittels einer Trennschicht (11) von dem ersten Halbleiterabschnitt (9) getrennten zweiten Halbleiterabschnitt (10) aufweist, welcher von der Halteeinrichtung (6) derart beabstandet angeordnet ist, dass zwischen den beiden Halbleiterabschnitten (9, 10) eine Temperaturdifferenz vorliegt, und wobei das thermoelektrische Element (8) an einer von der Bremsscheibe (3) abgewandten Seite der Halteeinrichtung (6) angebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Nutzung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der JP 2009 269469 A bekannt. Hierbei ist an der Bremsscheibe ein thermoelektrisches Element angebracht.
Einen ähnlichen Stand der Technik beschreibt die WO 2010/109592 A1 , bei welcher das thermoelektrische Element innerhalb eines Bremsbelags vorgesehen ist.
Aus der US 2010/0072943 A1 ist es bekannt, ein solches thermoelektrisches Element im Bereich der Bremsen vorzusehen.
Aus der JP 01022657A ist es bekannt, zur Verhinderung des Entstehens von Luftblasen in der Bremsflüssigkeit einer Bremsanlage ein thermoelektrisches Element so anzuordnen, dass ein Halbleiterabschnitt des thermoelektrischen Elements mit der Bremsflüssigkeit in Kontakt steht. Die Temperatur der Bremsflüssigkeit soll dabei an Rippen des thermoelektrischen Elements abgekühlt werden. Die dort beschriebene Vorrichtung ist jedoch sehr aufwändig und insbesondere die Anordnung eines Teils des thermoelektrischen Elements innerhalb der Bremsflüssigkeit bringt große Dichtungsprobleme mit sich.
In der WO 94/01893 A2 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Generatoren beschrieben. Daraus geht unter anderem hervor, dass mittels eines Peltier-Elements bei einer Temperaturdifferenz Strom erzeugt werden kann und dass es möglich ist, durch Einleiten von Strom in ein Peltier-Element eine Kühlung oder Erwärmung vorzunehmen.
Die EP 1 908 981 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Behandlung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie, wobei ein thermoelektrisches Element mit elektrischem Strom versorgt wird, um eine Kühlung der Bremsanlage zu erreichen.
Die Verwendung von Peltier-Elementen zur Kühlung oder als thermoelektrischer Generator ist in der DE 10 2008 057 568 A1 beschrieben.
Allgemein wird bei einem mittels einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs durchgeführten Bremsvorgang durch die Reibung der Reibbeläge an dem Reibring der Bremsscheibe kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in thermische Energie der Bremsscheibe umgesetzt, welche dann an die Umgebung abgegeben wird. Es wurde bereits versucht, diese kinetische Energie auf andere Art und Weise umzusetzen, um sie nutzen zu können, was jedoch meist mit einem sehr großen konstruktiven und finanziellen Aufwand verbunden ist. Darüber hinaus werden bereits seit längerer Zeit verschiedene Anstrengungen unternommen, um die durch den Bremsvorgang steigende Temperatur der Bremsscheibe zu verringern, beispielsweise durch sogenannte innenbelüftete Scheibenbremsen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Nutzung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels einer Bremsanlage eines Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie zu schaffen, bei welcher mit einfachen und kostengünstigen Mitteln eine effektive Nutzung der thermischen Energie möglich ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch das thermoelektrische Element, das erfindungsgemäß an einer mit bei dem Bremsvorgang entstehender Wärme beaufschlagten Kontaktfläche angeordnet ist, kann die auf den mit der Kontaktfläche in Kontakt stehenden ersten Halbleiterabschnitt des thermoelektrischen Elements wirkende thermische Energie unter Nutzung des bekannten Seebeck-Effekts, bei dem das thermoelektrische Element eine Spannung erzeugt, in elektrische Energie umgewandelt werden. Die zur kontinuierlichen Erzeugung dieser elektrischen Spannung durch das thermoelektrische Element erforderliche Temperaturdifferenz ist im Bereich einer Bremsscheibe vorhanden, da der Reibring der Bremsscheibe durch den Bremsvorgang erhitzt wird und dadurch den ersten Halbleiterabschnitt mit thermischer Energie versorgt und der von dem Reibring entfernte zweite Halbleiterabschnitt durch die Umgebungsluft gekühlt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ist sehr einfach und kostengünstig zu realisieren und die erzeugte elektrische Energie kann auf die verschiedensten Arten und für die verschiedensten Zwecke innerhalb des Kraftfahrzeugs gewinnbringend eingesetzt werden.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das thermoelektrische Element an der Halteeinrichtung für die Reibbeläge angebracht ist. Eine Positionierung des thermoelektrischen Elements an der auch als Bremssattel bezeichneten Halteeinrichtung für die Reibbeläge ist besonders einfach zu realisieren, da in diesem Bereich meist ein ausreichender Bauraum zur Verfügung steht und der Bremssattel durch den Bremsvorgang stark erhitzt wird. Des weiteren kann das thermoelektrische Element in diesem Bereich so angeordnet werden, dass es mit einer ausreichenden Menge an Kühlluft versorgt wird, um die erforderliche Temperaturdifferenz zwischen den beiden Halbleiterabschnitten des thermoelektrischen Elements zu erzeugen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann hierzu vorgesehen sein, dass das thermoelektrische Element mit einem Bordnetz des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine vergrößerte Darstellung des thermoelektrischen Elements aus 1 und dessen Anbindung an ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs;
3 eine Ausführungsform einer nicht zu der Erfindung gehörenden Vorrichtung; und
4 eine Ausführungsform einer nicht zu der Erfindung gehörenden Vorrichtung.
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Nutzung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels einer Bremsanlage 2 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie. Die in den Figuren sehr schematisch dargestellte Bremsanlage 2 weist eine Bremsscheibe 3 mit einem Reibring 4 auf, auf den von zwei gegenüberliegenden Seiten Brems- bzw. Reibbeläge 5 wirken, die mittels einer üblicherweise als Bremssattel bezeichneten Halteeinrichtung 6 gehalten werden. Bei dem Bremsvorgang wird in an sich bekannter Weise mittels der auf den Reibring 4 der Bremsscheibe 3 wirkenden Reibbeläge 5 die Drehzahl der Bremsscheibe 3 verringert und somit das Kraftfahrzeug abgebremst, wobei es unerheblich ist, aus welcher Geschwindigkeit das Kraftfahrzeug abgebremst wird und ob es bis zu seinem Stillstand abgebremst wird.
Die Halteeinrichtung 6 weist eine Außenfläche auf, welche nachfolgend als Kontaktfläche 7 bezeichnet wird und an welcher ein thermoelektrisches Element 8 angebracht ist, welches auch als Thermogenerator bezeichnet werden kann. Das thermoelektrische Element 8 weist einen mit der Kontaktfläche 7 in Kontakt stehenden ersten Halbleiterabschnitt 9 und einen von der Kontaktfläche 7 beabstandeten zweiten Halbleiterabschnitt 10 auf. Zwischen dem ersten Halbleiterabschnitt 9 und dem zweiten Halbleiterabschnitt 10 befindet sich eine bei thermoelektrischen Elementen übliche Sperr- bzw. Trennschicht 11, welche die beiden Halbleiterabschnitte 9 und 10 voneinander trennt. Der erste Halbleiterabschnitt 9 befindet sich also an einer von dem bei einem Bremsvorgang mittels der Bremsanlage 2 mit thermischer Energie bzw. Wärme beaufschlagten Stelle, wohingegen der zweite Halbleiterabschnitt 10 an einer Position angeordnet ist, an welcher eine niedrigere Temperatur herrscht, da dieser Bereich von der Umgebungsluft gekühlt wird. Zwischen den beiden Halbleiterabschnitten 9 und 10 liegt demnach eine Temperaturdifferenz vor. Dadurch entsteht zwischen den beiden Halbleiterabschnitten 9 und 10 gemäß dem allgemein bekannten und daher nicht naher erläuterten Seebeck-Effekt eine elektrische Spannung, welche auf verschiedene Arten innerhalb des Kraftfahrzeugs genutzt werden kann, von denen nachfolgend einige näher beschrieben werden.
2 zeigt eine mögliche Anbindung des thermoelektrischen Elements 8 an ein sehr vereinfacht dargestelltes Bordnetz 12 des Kraftfahrzeugs. Dabei ist zwischen dem thermoelektrischen Element 8 und dem Bordnetz 12 ein Vorschaltgerät 13 angeordnet, über welches die von dem thermoelektrischen Element 8 erzeugte Spannung in dem Bordnetz 12, das üblicherweise mit einer Spannung von 12 Volt arbeitet, genutzt werden kann. Das Vorschaltgerät 13 kann von an sich bekannter Bauart sein und wird daher nicht näher beschrieben. Auch für die Verschaltung des thermoelektrischen Elements 8 über das Vorschaltgerät 13 mit dem Bordnetz können an sich bekannte Anordnungen zum Einsatz kommen. Selbstverständlich ist auch die direkte Versorgung einzelner Nutzer, beispielsweise einzelner Sensoren, mit der von dem thermoelektrischen Element 8 erzeugten Spannung möglich. Wenn es sich bei dem Kraftfahrzeug um eine elektrisch angetriebenes Fahrzeug handelt, ist auch vorstellbar, die erzeugte elektrische Spannung einer Antriebsbatterie zur Verfügung zu stellen.
In 3 ist eine nicht zu der Erfindung gehörende Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt, gemäß welcher das thermoelektrische Element 8 in einem Zwischenraum 14 der in diesem Fall als zweiteilige bzw. innenbelüftete Bremsscheibe ausgebildeten Bremsscheibe 3 angeordnet ist. Die restlichen, nicht dargestellten Bauteile der Bremsanlage 2 können wie in 1 dargestellt ausgeführt sein. Die Bremsscheibe 3 weist dabei zwei voneinander beabstandete Reibringe 4 und den zwischen den Reibringen 4 gebildeten Zwischenraum 14 auf, in dem das thermoelektrische Element 8 angeordnet ist. Das thermoelektrische Element 8 weist in dieser Ausführungsform vorzugsweise zwei erste Halbleiterabschnitte 9, die jeweils mit einem der Reibringe 4 als Kontaktfläche 7 in Kontakt stehen, sowie einen zwischen den beiden ersten Halbleiterabschnitten 9 angeordneten zweiten Halbleiterabschnitt 10 auf, der von den Kontaktflächen 7 beabstandet ist und dadurch im Gegensatz zu den beim Bremsvorgang mit thermischer Energie beaufschlagten ersten Halbleiterabschnitten 9 durch in den Zwischenraum 14 einströmende Luft gekühlt wird. Um die Kühlung des zweiten Halbleiterabschnitts 10 des thermoelektrischen Elements 8 zu verbessern, können an den dem Zwischenraum 14 zugerichteten Flächen der Reibringe 4 Luftleitrippen, -stege und dergleichen vorgesehen sein. Durch die Nutzung der thermischen Energie der beiden Kontaktflächen 7 der Reibringe 4 kann möglicherweise eine höhere Spannung erzeugt werden als bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Spannung kann beispielsweise mittels geeigneter Schleif- oder Kontaktringe von der Bremsscheibe 3 abgenommen werden.
Eine weitere nicht zu der Erfindung gehörende Ausführungsform der Vorrichtung 1 zur Nutzung der bei dem Bremsvorgang mittels der Bremsanlage 2 entstehenden thermischen Energie zeigt 4. Dabei ist sehr schematisch ein Bauteil 15 einer in ihrer Gesamtheit nicht dargestellten Radaufhängung des Kraftfahrzeugs dargestellt. Das Bauteil 15 ist in an sich bekannter Weise mit der Bremsscheibe 3 verbunden und wird auf diese Weise bei einem Bremsvorgang ebenfalls mit thermischer Energie bzw. Wärme beaufschlagt, d. h. die Temperatur des Bauteils 15 steigt. Zur Nutzung dieser thermischen Energie und zur Erzeugung einer für das Kraftfahrzeug einsetzbaren Spannung ist das thermoelektrische Element 8 an dem in diesem Fall die Kontaktfläche 7 aufweisenden Bauteil 15 der Radaufhängung angebracht, wobei die Wirkungsweise des thermoelektrischen Elements 8 die oben beschriebene sein kann.
Vorstehend wurde lediglich ein Verfahren zur Nutzung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels der Bremsanlage 2 des Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie beschrieben, bei welchem mittels des an der mit bei dem Bremsvorgang entstehender thermischer Energie beaufschlagten Kontaktfläche 7 der Bremsanlage 2 angebrachten thermoelektrischen Elements 8 aus der bei dem Bremsvorgang entstehende thermische Energie eine elektrische Spannung erzeugt wird. Es ist mit der oben beschriebenen Vorrichtung 1 jedoch auch möglich, an das an der Kontaktfläche 7 der Bremsanlage 2 angebrachte thermoelektrische Element 8 eine elektrische Spannung anzugelegen, um einen Bereich der Bremsanlage 2 zu kühlen. Hierbei wird der Peltier-Effekt genutzt, gemäß welchem der erste Halbleiterabschnitt 9 bei Anlegen einer Spannung an den zweiten Halbleiterabschnitt 10 eine niedrigere Temperatur annimmt, welche dann an den jeweiligen Teil der Bremsanlage 2, also beispielsweise an die Halteeinrichtung 6, die Bremsscheibe 3 oder das Bauteil 15 der Radaufhängung, abgegeben wird, um diese zu kühlen. Dabei kann je nach Anforderung eines der beiden beschriebenen Verfahren eingesetzt werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Nutzung der bei einem auf Reibung basierenden Bremsvorgang mittels einer Bremsanlage (2) eines Kraftfahrzeugs erzeugten thermischen Energie, mit wenigstens einer wenigstens einen Reibring (4) aufweisenden Bremsscheibe (3) und mit wenigstens zwei von gegenüberliegenden Seiten auf den Reibring (4) wirkenden, mittels einer Halteeinrichtung (6) gehaltenen Reibbelägen (5), und mit einem thermoelektrischen Element (8), wobei das thermoelektrische Element (8) an einer von der wenigstens einen Bremsscheibe (3) mit bei dem Bremsvorgang entstehender thermischer Energie beaufschlagten Kontaktfläche (7) angebracht ist, wobei das thermoelektrisches Element (8) an der Halteeinrichtung (6) für die Reibbeläge (5) angebracht ist, und wobei das thermoelektrische Element (8) einen mit der Halteeinrichtung (6) in Kontakt stehenden ersten Halbleiterabschnitt (9) und einen von der Halteeinrichtung (6) beabstandeten, mittels einer Trennschicht (11) von dem ersten Halbleiterabschnitt (9) getrennten zweiten Halbleiterabschnitt (10) aufweist, welcher von der Halteeinrichtung (6) derart beabstandet angeordnet ist, dass zwischen den beiden Halbleiterabschnitten (9, 10) eine Temperaturdifferenz vorliegt, und wobei das thermoelektrische Element (8) an einer von der Bremsscheibe (3) abgewandten Seite der Halteeinrichtung (6) angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (8) mit einem Bordnetz (12) des Kraftfahrzeugs verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Element (8) über ein Vorschaltgerät (13) mit dem Bordnetz (12) verbunden ist.