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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Wärmeenergie von einer Wärmequelle auf eine Wärmesenke mit wenigstens einem von einem Wärmeträger-Fluid durchströmbaren Kanal, der mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke in wärmeleitender Verbindung steht.
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Derartige Vorrichtungen dienen beispielsweise dazu, einem Wärmeträger-Fluid beim Durchströmen eines Heizkanals Wärmeenergie zu entziehen und diese einem anderen Medium, z. B. einem in einem Kühlkanal strömenden separaten Wärmeträger-Fluid, zuzuführen. In einem Abgaskanal können solche Vorrichtungen zum Kühlen des Abgases und zur Nutzung der im Abgas vorhandenen Abwärme eingesetzt werden.
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Der Wärmeübergang zwischen dem durch den Kanal strömenden Wärmeträger-Fluid und der Wärmequelle oder der Wärmesenke ist bei gebräuchlichen Systemen jedoch oft relativ gering, so dass das Bedürfnis besteht, bei Vorrichtungen der genannten Art die Effektivität des Wärmeübergangs zwischen dem Kanal und der Wärmequelle oder der Wärmesenke zu erhöhen.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß sind in dem Kanal mehrere flache Strukturelemente, welche an ihren jeweiligen Flachseiten ein Muster aus einander abwechselnden Stegen und Aussparungen definieren, derart angeordnet, dass die Stege durch das Wärmeträger-Fluid anströmbar sind. Durch die Anordnung von anströmbaren Stegen kann das Strömungsverhalten des Wärmeträger-Fluids in einer gewünschten Weise beeinflusst werden. Insbesondere können Verwirbelungskanäle geschaffen werden, welche gezielt Turbulenzen in dem strömenden Wärmeträger-Fluid erzeugen und somit für einen besseren Wärmeübergang zwischen dem Wärmeträger-Fluid und der Kanalwand und damit der Wärmequelle oder der Wärmesenke sorgen. Zudem wird die mit dem Wärmeträger-Fluid in Kontakt stehende Kanaloberfläche durch die Stege vergrößert. Die Anordnung aus flachen Strukturelementen bildet also eine Wärmeübergangsstruktur, wobei die Herstellung einzelner flacher Strukturelemente wesentlich einfacher und kostengünstiger möglich ist als die Fertigung zusätzlicher eigenständiger Wärmeübergangskomponenten. Mittels der Verwirbelungsstruktur können auch Temperaturgradienten im Fluidstrom verringert werden und dadurch die Effektivität der Wärmeübertragung erhöht werden. Durch die Erfindung kann somit auf einfache Weise der Gesamtwirkungsgrad einer Wärmeübertragungsanordnung erhöht werden.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Vorzugsweise sind die Strukturelemente übereinander gestapelt. Durch das Stapeln von einzelnen flachen Strukturelementen kann eine vorgegebene Verwirbelungskanalstruktur auf einfache Weise in einer ”Sandwich”-Bauweise erstellt werden. Durch Übereinanderstapeln gleichartiger oder unterschiedlicher flacher Strukturelemente in beliebiger Anzahl ist eine besonders flexible Anpassung der Gesamtstruktur an die jeweilige Anwendung möglich.
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Die durch die Strukturelemente gebildete Stapelanordnung kann einen gekrümmten, insbesondere mäanderförmigen, Strömungspfad für das Wärmeträger-Fluid definieren. Durch einen gekrümmten Strömungspfad kann ein intensiverer Kontakt des strömenden Fluids mit der Wärmequelle oder der Wärmesenke ermöglicht werden.
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Die Flachseiten der Strukturelemente können insbesondere parallel zu einer Hauptströmungsrichtung des Kanals angeordnet sein. Die Strukturelemente werden also durch das in den Kanal eintretende Wärmeträger-Fluid tangential angeströmt, wobei sich erst durch die Kombination der nebeneinander angeordneten Strukturelemente ein Umleitungseffekt oder Verwirbelungseffekt ergibt, da jeweils mehrere benachbarte Stege durchgehende oder unterbrochene Kanalwände bilden.
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Die Muster der Strukturelemente können relativ zueinander versetzt sein, insbesondere um einen einheitlichen Betrag. Bevorzugt sind die Muster der Strukturelemente entlang einer Hauptströmungsrichtung des Kanals relativ zueinander versetzt. Auf diese Weise kann das Wärmeträger-Fluid auf einen gekrümmten Strömungspfad gezwungen werden. Der Betrag des Versatzes kann dabei auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sein.
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Vorzugsweise definieren die Strukturelemente gleichartige Muster. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung.
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Die Strukturelemente können aus Blech und insbesondere als Streckteile gefertigt sein. Blechbauteile sind besonders kostengünstig herstellbar und weisen im Allgemeinen eine ausreichende Temperaturbeständigkeit auf. Anstatt als Streckteile können die Strukturelemente auch als Stanzteile ausgeführt sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind mehrere durch Freiräume voneinander getrennte Anordnungen aus gestapelten Strukturelementen in dem Kanal angeordnet. Mit anderen Worten können in einer Stapelanordnung einzelne Strukturelemente weggelassen sein, um so den freien Durchströmungsquerschnitt des Kanals zu vergrößern. Dies kann insbesondere bei Abgasanlagen aus Gründen der Gegendruckoptimierung vorteilhaft sein.
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Die Strukturelemente können kraftschlüssig miteinander und/oder mit dem Kanal verbunden sein. Auf diese Weise ist die Montage und die Demontage erleichtert und einzelne Strukturelemente können bei Bedarf leicht ausgetauscht werden.
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Die Strukturelemente können auch stoffschlüssig miteinander und/oder mit dem Kanal verbunden, insbesondere verlötet, sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung sind eine besonders hohe Stabilität und eine optimierte Wärmeleitung gewährleistet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung definiert wenigstens eines, vorzugsweise alle, der Strukturelemente ein wabenförmiges Muster. Flache Strukturelemente mit wabenförmigem Muster weisen ein besonders günstiges Verhältnis von Stabilität zu Materialbedarf auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform definiert wenigstens eines, vorzugsweise alle, der Strukturelemente ein knochenförmiges Muster. Grundsätzlich können auch Strukturelemente mit wabenförmigem Muster und Strukturelemente mit knochenförmigem Muster in einer einzelnen Stapelanordnung kombiniert werden.
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Der Kanal kann ein Heizkanal oder ein Kühlkanal eines Wärmetauschers sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung steht der Kanal mit einer Warmseite oder einer Kaltseite eines thermoelektrischen Moduls zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie in Kontakt. Derartige Vorrichtungen werden auch als ”thermoelektrische Generatoren” (TEG) bezeichnet und finden bei verschiedenen Arten der Nutzung von Abwärme Verwendung. Beispielsweise können thermoelektrische Generatoren zur Abgaswärmenutzung bei Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, indem ein Teil der thermischen Energie des heißen Abgasstroms in elektrische Energie gewandelt und dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs zugeführt wird, um so letztlich Kraftstoff zu sparen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei zumindest eine Vorrichtung wie im vorstehenden Absatz beschrieben in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist und wobei ein elektrischer Ausgangsanschluss des thermoelektrischen Moduls mit einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten elektrischen Energiespeicher in Verbindung steht. Bei dem elektrischen Energiespeicher kann es sich beispielsweise um die Hauptbatterie eines Kraftfahrzeugs handeln. Durch das Einspeisen von elektrischer Energie in die Hauptbatterie des Kraftfahrzeugs kann die Lichtmaschine entlastet werden, so dass sich insgesamt eine Kraftstoffersparnis beim Betrieb des Kraftfahrzeugs ergibt.
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Ferner betrifft die Erfindung eine Abgasanlage für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei zumindest eine Vorrichtung wie vorstehend beschrieben in einen Abgasstrang des Verbrennungsmotors integriert ist und wobei der Abgasstrang wenigstens eine Schalldämpfungseinrichtung aufweist, welche unter Berücksichtigung der Schalldämpfungsleistung der Wärmetauschereinrichtung ausgestaltet ist. Insbesondere können eine oder mehrere Schalldämpfungseinrichtungen in einem Schalldämpfergehäuse untergebracht sein, welches an einer beliebigen Stelle der Abgasanlage in diese integriert ist. Aufgrund der schalldämpfenden Wirkung des thermoelektrischen Elements ist es möglich, die Schalldämpfungseinrichtungen im Schalldämpfergehäuse kleiner zu dimensionieren und/oder in ihrer Anzahl zu reduzieren oder auf zusätzliche Schalldämpfungseinrichtungen vollständig zu verzichten. Dadurch dass dem Abgas durch das thermoelektrische Modul Wärmeenergie entzogen wird, ergibt sich nämlich nicht nur eine Kühlung des Abgases, sondern auch eine Verringerung der Schallemission.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine perspektivische, aufgeschnittene Darstellung einer Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, welche an einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angebracht ist.
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2 zeigt eine Anordnung von übereinander gestapelten flachen Strukturelementen, welche zur Positionierung in einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors vorgesehen ist, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt eine Anordnung aus übereinander gestapelten flachen Strukturelementen gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß 1 dient ein Abgaskanal 11 dem Führen eines heißen Abgases von einem nicht dargestellten Verbrennungsmotor entlang einer Strömungsrichtung S in die Atmosphäre. Der Abgaskanal 11 weist einen rechteckigen, abgeflachten Querschnitt auf. An einer stromeintrittsseitigen Stirnseite des Abgaskanals 11 ist ein Flansch 13 vorgesehen, welcher der Anbindung des Abgaskanals 11 an eine vorhergehende Komponente des zugehörigen Abgasstrangs dient. Ebenso ist an der stromaustrittsseitigen Stirnseite des Abgaskanals 11 ein Flansch vorgesehen, welcher in 1 jedoch nicht dargestellt ist. An der Oberseite 15 und an der Unterseite 17 des Abgaskanals 11 sind jeweilige Anordnungen von thermoelektrischen Modulen 19 vorgesehen, welche dem strömenden Abgas Wärmeenergie entziehen und in elektrische Energie wandeln. Die thermoelektrischen Module 19 sind jeweils in einem halbschalenartigen oder hutartigen Gehäuse 21 aus Metall untergebracht, welches mittels Befestigungslaschen 23 an dem Abgaskanal 11 angebracht ist. Zur gezielten Erzeugung von Turbulenzen in dem strömenden Abgas sind in dem Abgaskanal 11 zungenartige Verwirbelungselemente 14 vorgesehen, die jedoch nicht der vorliegenden Erfindung entsprechen.
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Jedes thermoelektrische Modul 19 ist derart ausgerichtet, dass die für einen Kontakt mit einer Wärmequelle vorgesehene Warmseite 20 zum Abgaskanal 11 weist. An der entgegengesetzten Kaltseite 22 eines jeden thermoelektrischen Moduls 19 ist ein Kühlkanal 25 vorgesehen, der von einem Kühlfluid, insbesondere Wasser, durchströmbar ist. Während des Betriebs der Vorrichtung wird jedem Kühlkanal 25 über einen nicht dargestellten Kühlwassereinlass strömendes Kühlwasser zugeführt, welches nachfolgend in einer mäandernden Strömung über die Kaltseite 22 des thermoelektrischen Elements 19 geführt und anschließend einem nicht dargestellten Kühlwasserauslass zugeleitet wird.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Prinzip so gestaltet wie in 1 dargestellt, wobei jedoch anstelle der Verwirbelungselemente 14 eine Verwirbelungsstruktur 40 wie in 2 dargestellt im Inneren des Abgaskanals angeordnet ist. Die Verwirbelungsstruktur 40 besteht aus mehreren übereinander gestapelten flachen Strukturelementen 41, welche an ihren jeweiligen Flachseiten 42 ein wabenförmiges Muster aus einander abwechselnden Stegen 43 und Aussparungen 45 definieren. Die Verwirbelungsstruktur 40 ist derart in dem Abgaskanal 11 (1) angeordnet, dass die Flachseiten 42 der Strukturelemente 41 parallel zur Strömungsrichtung S verlaufen. Die Stege 43 werden somit durch das Abgas tangential angeströmt.
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Wie aus 2 hervorgeht, sind die Strukturelemente 41 derart in dem Abgaskanal 11 montiert, dass die Muster um einen einheitlichen Betrag entlang der Strömungsrichtung S relativ zueinander versetzt sind. Das Abgas wird somit beim Durchströmen der Verwirbelungsstruktur 40 verwirbelt und auf verschiedene gekrümmte Strömungspfade gezwungen. Auf diese Weise wird der Wärmeübergang von dem Abgas zu den am Abgaskanal 11 angebrachten thermoelektrischen Elementen 19 verbessert.
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Die Strukturelemente 41 können auf einfache Weise aus gestrecktem oder gestanztem Blech gefertigt sein. Da es sich bei den Strukturelementen 41 um Gleichteile handelt, ist die Herstellung der Verwirbelungsstruktur 40 besonders einfach und kostengünstig. Sollte für bestimmte Anwendungen ein geringerer Gegendruck im Abgasstrang erforderlich sein, so können in der Stapelanordnung aus Strukturelementen 41 auch einzelne Strukturelemente 41 weggelassen sein, wodurch sich der freie Durchströmungsquerschnitt der Verwirbelungsstruktur 40 vergrößert. In die entsprechenden Freiräume können beispielsweise rahmenförmige Abstandshalter eingesetzt sein. Sofern eine besonders hohe Stabilität der Verwirbelungsstruktur 40 erforderlich ist, können alle Strukturelemente 41 vollständig miteinander verlötet und außerdem mit der Innenwand des Abgaskanals 11 verlötet sein. Insbesondere kann ein Hartlötprozess angewendet werden. Alternativ kann auch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Strukturelementen vorliegen, um die Montage zu erleichtern und z. B. eine Möglichkeit zum Austausch einzelner Strukturelemente 41 oder der gesamten Verwirbelungsstruktur 40 zu schaffen.
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Eine besonders einfache Konstruktion liegt vor, wenn die einzelnen Strukturelemente 41 als Bleche in einen als Rechteckprofil ausgebildeten Abgaskanal eingeschoben sind.
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Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform weisen die Strukturelemente 41 anstelle eines wabenförmigen Musters ein knochenförmiges Muster auf. Im Übrigen ist die Verwirbelungsstruktur 40' gemäß 3 ebenso gestaltet wie die Verwirbelungsstruktur 40 gemäß 2.
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Insgesamt ermöglicht die Erfindung auf einfache und kostengünstige Weise eine Verbesserung des Wärmeübergangs zwischen dem strömenden Abgas und der Warmseite der thermoelektrischen Module. Ebenso könnte die erfindungsgemäße Verwirbelungsstruktur auch in einem entsprechend gestalteten Kühlkanal eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Abgaskanal
- 13
- Flansch
- 14
- Verwirbelungselement
- 15
- Oberseite
- 17
- Unterseite
- 19
- thermoelektrisches Modul
- 20
- Warmseite
- 21
- Gehäuse
- 22
- Kaltseite
- 23
- Befestigungslasche
- 25
- Kühlkanal
- 40, 40'
- Verwirbelungsstruktur
- 41, 41'
- Strukturelement
- 42
- Flachseite
- 43
- Steg
- 45
- Aussparung
- S
- Strömungsrichtung
