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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, mit einem von einem Wärmeträger-Fluid durchströmbaren Heizkanal, der insbesondere als Abgaskanal in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors integrierbar ist, und wenigstens einem thermoelektrischen Modul, das eine Außenfläche mit einer für einen Kontakt mit einer Wärmequelle vorgesehenen Warmseite und einer für einen Kontakt mit einer Wärmesenke vorgesehenen Kaltseite aufweist, wobei das thermoelektrische Modul mit zum Heizkanal weisender Warmseite an dem Heizkanal angebracht ist.
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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. Entscheidend für eine möglichst große Ausbeute an elektrischer Energie ist neben dem Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls vor allem ein möglichst großer Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke.
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Der Wirkungsgrad von gebräuchlichen thermoelektrischen Generatoren ist jedoch relativ gering, so dass das Bedürfnis besteht, die Ausbeute an elektrischer Energie bei Vorrichtungen der genannten Art 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 weist der Heizkanal eine Außenwand mit wenigstens einer Durchbrechung auf, wobei die Warmseite des thermoelektrischen Moduls die Durchbrechung zumindest teilweise abdeckt. In dem Bereich, in welchem die Durchbrechung von der Warmseite des thermoelektrischen Moduls abgedeckt ist, besteht somit ein direkter Kontakt zwischen dem Wärmeträger-Fluid und der Warmseite des thermoelektrischen Moduls. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang von dem Wärmeträger-F1uid zu dem thermoelektrischen Modul verbessert werden, da die normalerweise vorliegende Heizkanalwand im Bereich der Durchbrechung als zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand wegfällt. Die Erfindung ermöglicht somit eine verbesserte Anbindung der Warmseite des thermoelektrischen Moduls an das strömende Wärmeträger-Fluid und daher einen höheren Gesamtwirkungsgrad des thermoelektrischen Generators.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Vorzugsweise überdeckt die Warmseite des thermoelektrischen Moduls die Durchbrechung vollständig. Das thermoelektrische Modul kann somit der Abdichtung des Heizkanals um die Durchbrechung dienen. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders großflächiger Bereich für einen direkten Kontakt zwischen dem Wärmeträger-Fluid und der Warmseite des thermoelektrischen Moduls. Alternativ könnte auch ein Teil der Durchbrechung durch ein zusätzliches Bauteil abgedeckt sein.
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Bevorzugt ist das thermoelektrische Modul fluiddicht gekapselt. Dadurch wird ein unerwünschtes Eindringen von Fluid in das thermoelektrische Modul vermieden.
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An der Warmseite des thermoelektrischen Moduls kann eine, insbesondere durch die Durchbrechung in den Heizkanal hineinragende, Wärmetauscherstruktur, eine Kanalstruktur und/oder eine Verwirbelungsstruktur vorgesehen sein. Derartige Strukturen können insbesondere direkt auf die Warmseite des thermoelektrischen Moduls aufgebracht sein. Eine Wärmetauscherstruktur kann den Wärmeübergang von dem strömenden Fluid zu der Warmseite des thermoelektrischen Moduls verbessern. Eine Kanalstruktur, beispielsweise eine Anordnung von in den Heizkanal hineinragenden Unterkanälen, kann das strömende Wärmeträger-Fluid in gewünschter Weise leiten und ebenfalls wärmetauschende Eigenschaften aufweisen. Eine Verwirbelungsstruktur ermöglicht es, gezielt Turbulenzen in dem strömenden Wärmeträger-Fluid zu erzeugen, um so der Bildung von unerwünschten Temperaturgradienten im strömenden Fluid entgegenzuwirken.
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Das thermoelektrische Modul kann in einem Gehäuse untergebracht sein, welches fluiddicht an dem Heizkanal befestigt und zu der Durchbrechung hin geöffnet ist. Ein derartiges Gehäuse kann insbesondere hutartig oder halbschalenartig ausgebildet sein. Aufgrund der fluiddichten Befestigung an dem Heizkanal werden Leckageströmungen vermieden. Das Gehäuse kann somit gleichzeitig der Befestigung des thermoelektrischen Moduls am Heizkanal dienen und zur fluiddichten Begrenzung der Durchbrechung des Heizkanals beitragen. Das thermoelektrische Modul kann insbesondere stoffschlüssig mit dem Gehäuse verbunden sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Durchbrechung rechteckig, insbesondere quadratisch. Die Durchbrechung kann beispielsweise deckungsgleich mit der Warmseite des thermoelektrischen Moduls sein. Vorzugsweise erstreckt sich die Warmseite des thermoelektrischen Moduls jedoch über einen Rand der Durchbrechung hinaus, insbesondere allseitig. Auf diese Weise ist ein besonders sicherer Halt des thermoelektrischen Moduls am Heizkanal gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Heizkanal einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt und/oder einen rechteckigen oder trapezförmigen Längsschnitt auf. Ein derartig gestalteter Heizkanal ist in besonderer Weise zur Befestigung von thermoelektrischen Elementen geeignet, da genügend ebene Flächen zur Anbindung der jeweiligen Warmseiten der thermoelektrischen Elemente zur Verfügung stehen. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Heizkanal einen abgeflachten rechteckigen Querschnitt auf, wobei an beiden Flachseiten ein oder mehrere thermoelektrische Elemente angebracht sind. Auf diese Weise steht eine besonders große Fläche des Heizkanals in Kontakt mit den thermoelektrischen Elementen.
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An einer stromaufwärts gelegenen Stirnseite des Heizkanals und/oder an einer stromabwärts gelegenen Stirnseite des Heizkanals kann ein Befestigungsflansch vorgesehen sein. Derartige Flansche können der vereinfachten Anbindung des Heizkanals an eine vorhergehende und/oder nachfolgende Fluidkanalkomponente, beispielsweise an Komponenten eines Abgasstrangs, dienen.
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Der Heizkanal kann mehrere, nebeneinander angeordnete Durchbrechungen aufweisen, welche jeweils von der Warmseite eines zugehörigen thermoelektrischen Moduls zumindest teilweise abgedeckt sind. Somit können mehrere thermoelektrische Module an dem Heizkanal vorgesehen sein, wobei die Warmseite jedes thermoelektrischen Moduls über einer Durchbrechung angeordnet ist und somit in direktem Kontakt mit dem strömenden Fluid steht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist an zwei entgegengesetzten Seiten, insbesondere Flachseiten, des Heizkanals jeweils wenigstens eine Durchbrechung vorgesehen, welche von der Warmseite eines zugehörigen thermoelektrischen Moduls zumindest teilweise abgedeckt ist. Durch das Vorsehen von thermoelektrischen Modulen über jeweiligen Durchbrechungen beidseits eines z. B. rechteckig geformten Heizkanals kann der Wärmeübergang von dem strömenden Fluid zu den thermoelektrischen Modulen weiter verbessert werden.
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Die Erfindung betrifft ferner 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 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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Der Abgasstrang kann wenigstens eine Schalldämpfungseinrichtung aufweisen, welche unter Berücksichtigung der Schalldämpfungsleistung des thermoelektrischen Moduls ausgestaltet ist. Insbesondere können eine oder mehrere Schalldämpfungseinrichtungen in einem Schalldämpfergehäuse untergebracht sein, welches an einer beliebigen Stelle des Abgasstrangs in diesen 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 erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, welche an einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angebracht ist.
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2 zeigt einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, welche an einem Abgaskanal eines Verbrennungsmotors angebracht ist.
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3 zeigt eine vergrößerte Teilansicht der Vorrichtung gemäß 2.
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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, um die thermische Energie des strömenden Abgases in elektrische Energie zu 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. Der Abgaskanal 11 weist an seiner Oberseite 15 und an seiner Unterseite 17 Durchbrechungen auf, welche in 1 jedoch nicht zu sehen sind.
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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 strömendes Kühlwasser zugeführt, welches nachfolgend in einer mäandernden Strömung über die Kaltseite 22 des thermoelektrischen Elements 19 geführt und anschließend einem nicht dargestellten Auslass zugeleitet wird.
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2 und 3 zeigen weitere Ansichten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, wobei zu erkennen ist, dass der Abgaskanal 11 sowohl an seiner Oberseite 15 als auch an seiner Unterseite 17 eine jeweilige Reihe von in Strömungsrichtung S gesehen hintereinander angeordneten Durchbrechungen 41 aufweist. Über jeder Durchbrechung 41 ist ein thermoelektrisches Modul 19 derart angeordnet, dass die Durchbrechung 41 von der Warmseite 20 des jeweiligen thermoelektrischen Moduls 19 vollständig überdeckt ist. Jedes thermoelektrische Modul 19 ist wie in 1 gezeigt an der Außenwand des Abgaskanals 11 fluiddicht angebracht. Beispielsweise können die Befestigungslaschen 23 des Gehäuses 21 mittels eines Lasers stoffschlüssig mit dem Abgaskanal 11 verbunden sein. Die Durchbrechungen 41 sind derart gestaltet, dass sich die Warmseiten 20 der thermoelektrischen Module 19 jeweils geringfügig über den Rand der Durchbrechung 41 hinaus erstrecken, und zwar allseitig. Dadurch ergibt sich ein besonders stabiler Halt der thermoelektrischen Module 19 am Abgaskanal 11. Um eine Beschädigung der thermoelektrischen Module 19 durch das strömende Abgas zu vermeiden, sind die thermoelektrischen Module 19 fluiddicht gekapselt. Auf die Warmseiten 20 der thermoelektrischen Module 19 sind Wärmetauscherstrukturen 43 aufgebracht, welche in das Innere des Abgaskanals 11 hineinragen. Zusätzlich könnten auch Verwirbelungselemente wie in 1 dargestellt oder Kanalstrukturen auf die Warmseiten 20 der thermoelektrischen Module 19 aufgebracht sein.
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Der Abgaskanal 11 kann aus Blech, Gussmaterial, spanend bearbeitendem Vollmaterial oder in ähnlicher Weise hochtemperaturbeständig gefertigt sein. Die Aussparungen 41 können grundsätzlich rechteckig sein und je nach Anwendung abgerundete Ecken aufweisen.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors heizt das strömende Abgas die Warmseite 20 jedes thermoelektrischen Moduls 19 auf, wohingegen die Kaltseite 22 jedes thermoelektrischen Moduls 19 mittels des durch den Kühlkanal 25 strömenden Wassers gekühlt wird. Auf diese Weise kann elektrische Energie aus der thermischen Energie des Abgases gewonnen werden, welche zweckmäßigerweise dem Bordnetz des zugehörigen Kraftfahrzeugs zugeführt wird. Aufgrund der modularen Bauweise kann die Erfindung an viele unterschiedliche Varianten von Abgassträngen angepasst werden. Das Prinzip der beidseitigen Anordnung von thermoelektrischen Modulen ermöglicht eine besonders effektive thermische Anbindung der thermoelektrischen Module 19 an den Abgaskanal 11.
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Durch den direkten Kontakt zwischen dem durch den Abgaskanal 11 strömenden Abgas und der Warmseite 20 des zugehörigen thermoelektrischen Moduls 19 – aufgrund der im Bereich der Durchbrechung 41 fehlenden Zwischenschicht oder Zwischenwand – ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergang von dem als Wärmequelle dienenden Abgas zu dem thermoelektrischen Modul 19, so dass die Vorrichtung mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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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
- 41
- Durchbrechung
- 43
- Wärmetauscherstruktur
- S
- Strömungsrichtung
