DE102011009140A1

DE102011009140A1 - Thermoelektrischer Generator mit abschaltbarer Kühlung

Info

Publication number: DE102011009140A1
Application number: DE102011009140A
Authority: DE
Inventors: Dr. Linde Matthias; Dr. Ing. Eder Andreas; Boris MAZAR; Rolf Brück; Sigrid Limbeck
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2012-07-26
Also published as: WO2012098133A3; WO2012098133A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator (1), insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug (8) mit einer Verbrennungskraftmaschine (9), wobei der thermoelektrische Generator (1) eine Kühlung (5) aufweist, die während des Betriebs des thermoelektrischen Generators (1) zumindest teilweise abschaltbar oder entkoppelbar ist. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass an der Kaltseite (3) eine Verbindungsschicht (6) vorgesehen ist, die die Wärmeleitung hin zur Kühlung (5) während des Betriebs des thermoelektrischen Generators (1) reduziert oder sogar unterbricht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen thermoelektrischen Generator, insbesondere zum Einsatz in einem Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der thermoelektrische Generator eine Kühlung aufweist, die während des Betriebs des thermoelektrischen Generators zumindest teilweise abschaltbar oder entkoppelbar ist.
Das Abgas aus einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs besitzt thermische Energie, welche mittels eines thermoelektrischen Generators in elektrische Energie umgewandelt werden kann, bspw. um eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher zu füllen und/oder elektrischen Verbrauchern die benötigte Energie direkt zuzuführen. Damit wird das Kraftfahrzeug mit einem verbesserten energetischen Wirkungsgrad betrieben, und es steht für den Betrieb des Kraftfahrzeugs Energie in größerem Umfang zur Verfügung.
Ein solcher thermoelektrischer Generator weist zumindest eine Vielzahl thermoelektrischer Elemente auf, die zwischen einer sogenannten Heißseite und einer sogenannten Kaltseite positioniert sind. Thermoelektrische Materialien hierfür sind von einer Art, dass diese effektiv thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können (Seebeck-Effekt) und umgekehrt (Peltier-Effekt). Die thermoelektrischen Elemente umfassen z. B. wenigstens zwei Halbleiterelemente, die jeweils p-dotiert und n-dotiert sind und zusammen die kleinste thermoelektrische Einheit bilden. Diese Halbleiterelemente sind aus thermoelektrischem Material und auf ihrer Oberseite und Unterseite (hin zur Heißseite bzw. Kaltseite) wechselseitig mit elektrisch leitenden Brückenelementen versehen, so dass jeweils n- und p-dotierte Halbleiterelemente miteinander verbunden sind. Üblicherweise dienen Keramikplatten bzw. Keramikbeschichtungen und/oder ähnliche Materialien der Isolierung der Halbleiterelemente gegeneinander oder der elektrischen Verbindung gegenüber einem die thermoelektrischen Elemente aufnehmenden Gehäuse. Wird ein Temperaturgefälle beidseits der Halbleiterelemente bereitgestellt, so bildet sich zwischen den Enden der Halbleiterelemente ein Spannungspotential aus. Die Ladungsträger auf der heißeren Seite werden durch die höhere Temperatur vermehrt in das Leitungsband angeregt. Durch den dabei erzeugten Konzentrationsunterschied im Leitungsband diffundieren Ladungsträger auf die kältere Seite des Halbleiterelements, wodurch die Potentialdifferenz entsteht. In einem thermoelektrischen Generator sind bevorzugt zahlreiche thermoelektrische Elemente elektrisch in Reihe geschaltet. Damit sich die generierte Potentialdifferenz der seriellen Halbleiterelemente nicht gegenseitig aufhebt, sind stets wechselweise Halbleiterelemente mit unterschiedlichen Majoritätsladungsträgern (n- und p-dotiert) in direkten elektrischen Kontakt gebracht. Mittels eines angeschlossenen Lastwiderstands kann der Stromkreis geschlossen und somit elektrische Leistung abgegriffen werden.
Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen sind insbesondere rohrförmige thermoelektrische Module geeignet, in denen Halbleiterelemente kreisringförmig hintereinander zwischen einem Innenrohr und einem Außenrohr angeordnet sind, wobei das Innenrohr oder das Außenrohr von dem heißen Abgas überströmt wird.
Thermoelektrische Generatoren können an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeug eingebunden werden. Dabei sind sie hinsichtlich der unterschiedlichen Einsatzbedingungen entsprechend auszulegen. So erreicht das Abgas von Otto-Motoren regelmäßig weit höhere Temperaturen als das Abgas von Diesel-Motoren. Auch der Einsatz eines thermoelektrischen Generators in einer Abgasrückführungsleitung wurde bereits vorgeschlagen, insbesondere da hier auch die Abgastemperaturen regelmäßig niedrig sind, so dass eine weniger hochtemperaturfeste Auslegung der thermoelektrischen Materialien und des thermoelektrischen Generators selbst möglich ist.
Der thermoelektrische Generator nutzt das Temperaturpotential zwischen der Heißseite und der Kaltseite und setzt den über die thermoelektrischen Elemente übertragenen Wärmestrom in elektrische Energie um. Dabei ist die Kühlung der Kaltseite des thermoelektrischen Generators so auszulegen, dass eine entsprechende Kühlleistung in Abhängigkeit von dem vom heißen Abgas an der Heißseite ausgehenden Wärmestrom bereitgestellt wird, so dass dieses Temperaturpotential aufrecht erhalten wird. Die Kühlleistung der Kühlung des thermoelektrischen Generators kann dabei einen beträchtlichen Teil der verfügbaren Kühlleistung des Fahrzeugs beanspruchen. Die Kühlung des thermoelektrischen Generators und damit auch die Kühlung des Gesamtfahrzeugs muss entsprechend ausgelegt werden. Aus diesem Grund ist auch die nachträgliche Integration eines thermoelektrischen Generators in bestehende Fahrzeugkonzepte problematisch, weil die zusätzliche Kühlleistung nur in seltenen Fällen aus der vorhandenen Kühlung eines Fahrzeugs zusätzlich bereitgestellt werden kann.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein thermoelektrischer Generator angegeben werden, der eine geringere Leistungsanforderung an die Kühlung eines Fahrzeugs stellt und einfacher in bestehende Fahrzeugkonzepte integriert werden kann und insbesondere auch zum nachträglichen Einbau in Abgasanlagen geeignet ist.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem thermoelektrischen Generator gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit einem Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, erläutert die Erfindung weiter und führt ergänzende Ausführungsbeispiele der Erfindung an.
Der erfindungsgemäße thermoelektrische Generator weist zumindest eine Heißseite und eine Kaltseite sowie dazwischen angeordnete thermoelektrische Elemente auf. Dabei ist die Kaltseite mit einer Kühlung verbunden und die Kühlung ist während des Betriebs des thermoelektrischen Generators zumindest teilweise abschaltbar oder entkoppelbar.
Insbesondere ist der thermoelektrische Generator plattenförmig oder auch rohrförmig aufgebaut, wobei die thermoelektrischen Elemente wärmeleitend mit jeweils einer Heißseite und einer Kaltseite verbunden sind, so dass der von der Heißseite zur Kaltseite verlaufende Wärmestrom durch den thermoelektrischen Generator in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die Heißseite des thermoelektrischen Generators ist insbesondere unmittelbar von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine beaufschlagt. Zudem kann aber auch vorgesehen werden, dass durch das Abgas ein weiteres Wärmeträgermedium aufgeheizt wird, das die Heißseite des thermoelektrischen Generators kontaktiert. Die Kaltseite des thermoelektrischen Generators ist mittelbar oder unmittelbar mit der Kühlung verbunden. Insbesondere ist die Kühlung ein untrennbarer Bestandteil eines Kühlsystems eines Kraftfahrzeugs. Weiterhin ist es aber auch möglich, hier ein separates Kühlsystem vorzusehen, das ggf. über einen Wärmetauscher mit einem Kühlsystem einer Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Als Kühlmedium kann ein flüssiges oder auch ein gasförmiges Kühlmedium eingesetzt werden, wobei aufgrund der besseren Wärmeableitung ein flüssiges Kühlmedium (z. B. Wasser) bevorzugt ist.
Der Betrieb des thermoelektrischen Generators zeichnet sich durch die Erzeugung eines elektrischen Stroms aus, bzw. durch die Kontaktierung des thermoelektrischen Generators mit einem elektrischen Speicher und/oder einem elektrischen Verbraucher und/oder einem Lastwiderstand, so dass ein im thermoelektrischen Generator erzeugter elektrischer Strom entsprechend weitergeleitet werden kann.
Weiter kann bei thermoelektrischen Generatoren auf der Heißseite ggf. ein Überlastschutz vorgesehen sein, um den thermoelektrischen Generator vor Schädigungen durch zu hohe Temperaturen zu schützen. Dieser übliche Überlastschutz wird durch die vorliegende Erfindung keineswegs zwangsweise ersetzt, sondern kann auch zusätzlich Bestandteil des thermoelektrischen Generators oder eines Kraftfahrzeugs sein. Im Gegensatz hierzu sieht die vorliegende Erfindung nun vor, die Kühlung an der Kaltseite des thermoelektrischen Generators zumindest teilweise abzuschalten oder zu entkoppeln.
Durch die Entkopplung bzw. teilweise Abschaltung der Kühlung wird aber erreicht, dass eine ausreichende Kühlleistung für andere Komponenten des Kraftfahrzeugs bereitgestellt und damit der thermoelektrische Generator in diesen Zeitpunkten in nur geringem Maß gekühlt wird. Durch diese Verringerung der Kühlleistung oder vollständiges Einstellen der Kühlung erwärmt der thermoelektrische Generator ausgehend von der Heißseite zunehmend in Richtung der Kaltseite. Insbesondere sollte die Kaltseite daher so aufgebaut sein, dass auch bei höheren Temperaturen eine Schädigung der Kaltseite nicht erfolgt, insbesondere sollten die thermoelektrischen Materialien als auch die konstruktive Auslegung der Kaltseite entsprechend eingerichtet sein. Durch die ausbleibende Kühlung der Kaltseite verringert sich entsprechend auch das Temperaturpotential zwischen Heißseite und Kaltseite, so dass nur noch ein geringerer Wärmestrom über den thermoelektrischen Generator abfließt und damit eine geringere elektrische Energie erzeugt wird. Es wird also insbesondere darauf verzichtet, die Heißseite des thermoelektrischen Generators von dem Abgas bzw. von einem heißen Wärmeübertragungsmedium zu entkoppeln. Es wird vielmehr der thermoelektrische Generator so ausgelegt, dass dieser auch unter Volllast auftretenden Temperaturen ohne Schädigungen ausgesetzt werden kann. Dabei ist in diesem Zusammenhang insbesondere vorteilhaft, dass die Kühlung des thermoelektrischen Generators zumindest reduziert werden kann, da dadurch das Temperaturpotential (gerade im Volllast-Betrieb der Verbrennungskraftmaschine) zwischen Heißseite und Kaltseite reduziert wird und damit auch auf den thermoelektrischen Generator wirkende Thermospannungen so weit begrenzt werden können, dass eine Schädigung vermieden wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des thermoelektrischen Generators weist dieser zumindest einen Bypass für die Kühlung auf, so dass eine Kühlleistung der Kühlung gegenüber dem thermoelektrischen Generator zumindest reduzierbar oder abschaltbar ist. Ein Bypass bedeutet insbesondere, dass die Kühlung ein Kühlmedium nicht nur an der Kaltseite entlangführt, sondern eine weitere Kühlmediumleitung aufweist, über die das Kühlmedium an der Kaltseite vorbeigeleitet werden kann. Durch die Regelung der Durchflussmenge durch den Bypass bzw. durch die Kühlung der Kaltseite kann die Kühlleistung an der Kaltseite des thermoelektrischen Generators reduziert oder vollständig abgeschaltet werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des thermoelektrischen Generators ist die Kaltseite mit der Kühlung durch eine Verbindungsschicht wärmeleitend verbunden, wobei die Verbindungsschicht geeignet ist, die Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung während des Betriebs des thermoelektrischen Generators zu reduzieren oder zu unterbrechen. Die Verbindungsschicht ist also insbesondere zwischen der Kaltseite des thermoelektrischen Generators und der Kühlung angeordnet.
Üblicherweise sind die thermoelektrischen Elemente mit der Kaltseite so verbunden, dass zwischen thermoelektrischem Material und der Kaltseite des thermoelektrischen Generators nur die Wandung selbst und ggf. eine elektrische Isolierung und elektrisch leitende Brückenelemente sowie ggf. eine Barriereschicht zum Schutz des thermoelektrischen Materials angeordnet ist. Hier wird nun zusätzlich eine Verbindungsschicht an der Kaltseite des thermoelektrischen Generators angeordnet, wobei diese hinsichtlich ihrer Wärmeleitung veränderbar ist, so dass die Wärmeleitung durch den thermoelektrischen Generator, ausgehend von der Heißseite bin zur Kaltseite, über die an der Kaltseite angeordnete Verbindungsschicht reduziert oder vollständig unterbrochen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des thermoelektrischen Generators umfasst die Verbindungsschicht ein Wärmeträgerfluid, das zur Reduzierung oder Unterbrechung der Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung aus der Verbindungsschicht zumindest teilweise entfernbar ist. Insbesondere ist als Wärmeträgerfluid eine Flüssigkeit oder ein Gas vorgesehen, das die Verbindungsschicht (teilweise) ausfüllt und entsprechend eine gute Wärmeleitung durch den thermoelektrischen Generator ausgehend von der Heißseite zur Kaltseite und über die Verbindungsschicht zur Kühlung ermöglicht. Hier kann die Wärmeleitung über die Verbindungsschicht reduziert oder vollständig unterbrochen werden, indem das Wärmeträgerfluid aus der Verbindungsschicht im Bereich der Kaltseite des thermoelektrischen Generators zumindest teilweise entfernt ist. Insbesondere ist die Verbindungsschicht, wenn das Wärmeträgerfluid zumindest teilweise entfernt ist, zumindest teilweise mit Luft gefüllt, wobei Luft eine hohe Isolationsfähigkeit aufweist und damit eine (regelbare) thermische Isolation der Kaltseite gegenüber der Kühlung bewirkt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verbindungsschicht des thermoelektrischen Generators einen Isolator, der geeignet ist, die Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung zu reduzieren oder zu unterbrechen. Insbesondere wird in Verbindung mit der vorgenannten Ausgestaltung ein Wärmeträgerfluid durch z. B. Luft ersetzt, so dass die Luft als (thermischer) Isolator eingesetzt wird und damit die Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung reduziert bzw. zumindest weitgehend unterbricht.
Gemäß einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Verbindungsschicht des thermoelektrischen Generators ein Phasen-Wechsel-Material, das zur Reduzierung oder Unterbrechung der Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung geeignet ist. Dieses Phasen-Wechsel-Material kann z. B. durch eine Flüssigkeit realisiert werden, die bei zunehmender Erwärmung zumindest teilweise verdampft und entsprechend die Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung durch die Verbindungsschicht verringert. Weiterhin sind hier Materialien einsetzbar, die infolge des Phasenwechsels von fest zu flüssig oder von flüssig zu gasförmig entsprechend unterschiedliche thermische Eigenschaften hinsichtlich der Wärmeleitung aufweisen, so dass bei zunehmender Erwärmung insbesondere eine sprunghafte Änderung (Reduktion) der Wärmeleitungseigenschaften des Phasen-Wechsel-Materials erfolgt. Entsprechend ist eine genaue Einstellung möglich, zu welchem Zeitpunkt bzw. zu welchen Betriebspunkten eine Reduzierung bzw. Unterbrechung der Kühlung des thermoelektrischen Generators erfolgt und wann entsprechend eine höhere Kühlleistung für an die Kühlung angeschlossene weitere Systeme bereitgestellt werden kann.
Diesbezüglich wird weiterhin ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das zumindest eine Verbrennungskraftmaschine, eine Abgasanlage und einen thermoelektrischen Generator, insbesondere einen erfindungsgemäßen thermoelektrischen Generator, sowie eine Kühlung für die Verbrennungskraftmaschine und den thermoelektrischen Generator aufweist. Dabei ist die Kühlung des thermoelektrischen Generators während des Betriebs des Kraftfahrzeugs zumindest teilweise entkoppelbar oder abschaltbar, insbesondere unabhängig von der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine.
Die Kühlung für die Verbrennungskraftmaschine und den thermoelektrischen Generator ist insbesondere ein geschlossenes Kühlsystem. Das heißt mit anderen Worten auch, dass das in der Kühlung verwendete Kühlmedium einerseits zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine und andererseits zur Kühlung des thermoelektrischen Generators eingesetzt wird. Es ist aber auch möglich, dass die Kühlung mittelbar oder unmittelbar miteinander verbundene Kühlsysteme aufweist, die insbesondere durch Wärmetauscherflächen wärmeleitend miteinander in Verbindung stehen.
Während des Betriebs des Kraftfahrzeugs versorgt die Kühlung insbesondere die Verbrennungskraftmaschine und den thermoelektrischen Generator mit einer (regelbaren) Kühlleistung. Dabei wird ein beträchtlicher Teil der Kühlleistung zur Kühlung des thermoelektrischen Generators benötigt. Insbesondere entspricht diese Kühlleistung bis zu 20% der erforderlichen Kühlleistung der Verbrennungskraftmaschine.
Insbesondere bei einer starken Beanspruchung der Verbrennungskraftmaschine (Hochlast) ist eine hohe Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine erforderlich, wobei gleichzeitig Abgas mit hoher Temperatur dem thermoelektrischen Generator zugeführt wird. Gerade in diesen Fällen wird einerseits eine hohe Kühlleistung für den thermoelektrischen Generator üblicherweise benötigt, wobei andererseits auch eine hohe Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine erforderlich ist. Insbesondere für diesen Einsatzfall ist es vorgesehen, dass die Kühlung des thermoelektrischen Generators zumindest teilweise entkoppelbar oder abschaltbar ist, so dass die damit nicht benötigte Kühlleistung zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden kann.
Mit Betrieb des Kraftfahrzeugs ist insbesondere ein Betrieb der Verbrennungskraftmaschine gemeint. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Kühlung des thermoelektrischen Generators und die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine miteinander unmittelbar verbunden sind, das heißt, das Kühlmedium in der Kühlung wird sowohl für die Kühlung der Kaltseite unmittelbar eingesetzt als auch für die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine. Die Entkopplung oder Abschaltung der Kühlung des thermoelektrischen Generators kann nun z. B. dadurch erfolgen, dass die Kühlung über einen Bypass verfügt, so dass das Kühlmedium nicht an der Kaltseite des thermoelektrischen Generators vorbeigeführt wird, sondern durch einen Bypass fließt und entsprechend keine Kühlleistung zur Kühlung des thermoelektrischen Generators erforderlich ist bzw. bereitgestellt wird. In diesem Fall ist aber ein Bypass bereitzustellen, der hinsichtlich des zusätzlichen Bedarfs an Bauraum einige Nachteile gegenüber Maßnahmen aufweist, die am thermoelektrischen Generator vorgenommen werden.
Weiterhin kann durch eine geeignete Maßnahme am thermoelektrischen Generator selbst, z. B. durch die Bereitstellung einer Verbindungsschicht mit veränderbarer Wärmeleitung, die Kühlung zumindest teilweise entkoppelt oder abgeschaltet werden. Durch diese Maßnahmen kann die Kühlung des thermoelektrischen Generators unabhängig von der Kühlung der Verbrennungskraftmaschine verändert werden, wobei dadurch die für die Verbrennungskraftmaschine verfügbare Kühlleistung entsprechend erhöht wird.
Durch diese Maßnahme wird insbesondere erreicht, dass die Fahrzeugkühlung mit einer insgesamt geringeren Kühlleistung ausgelegt werden kann, so dass Fahrzeugkonzepte durch den Einsatz eines thermoelektrischen Generators nicht entsprechend angepasst werden müssen. Dies ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf den Einsatz eines thermoelektrischen Generators in Personenkraftfahrzeugen, in denen der Einbau einer solchen Vorrichtung optional vorgenommen werden kann. Durch die abschaltbare Kühlung ist keine zusätzliche Kühlleistung erforderlich, so dass vorhandene Komponenten auch bei einem nachträglich eingebauten thermoelektrischen Generator unverändert eingesetzt werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Kraftfahrzeugs weist der thermoelektrische Generator eine Heißseite, eine Kaltseite und dazwischen angeordnete thermoelektrische Elemente auf, wobei die Kaltseite des thermoelektrischen Generators mit der Kühlung durch eine Verbindungsschicht wärmeleitend verbunden ist. Die Verbindungsschicht ist dabei geeignet, die Wärmeleitung von der Kaltseite zur Kühlung während des Betriebs des thermoelektrischen Generators zu reduzieren oder zu unterbrechen.
Die Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs gerichtet, wobei ein thermoelektrischer Generator eine Heißseite, eine Kaltseite sowie dazwischen angeordnete thermoelektrische Elemente aufweist. Die Heißseite wird von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine erwärmt und die Kaltseite sowie die Verbrennungskraftmaschine wird jeweils durch ein Kühlmedium gekühlt. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte, insbesondere sukzessiv nacheinander ausgeführt:

a) Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und des thermoelektrischen Generators,
b) Feststellen einer Kühlleistung der Verbrennungskraftmaschine,
c) Vergleich mit einer Mindest-Kühlleistung der Verbrennungskraftmaschine, und falls die Mindest-Kühlleistung größer ist als die Kühlleistung
d) Unterbrechen oder Reduzieren der Kühlung des thermoelektrischen Generators zum Bereitstellen einer erhöhten Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine.

Auch hier ist insbesondere die Kühlung für die Verbrennungskraftmaschine und für den thermoelektrischen Generator gemeinsam ausgelegt bzw. sind die einzelnen Kühlsysteme mittelbar oder unmittelbar miteinander verbunden, so dass das Kühlmedium entweder zum Kühlen der Kaltseite und der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt wird oder die einzelnen Kühlmedien durch Wärmetauscherflächen miteinander wärmeleitend in Verbindung stehen.
Der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine und des thermoelektrischen Generators zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, also durch Verbrennung eine Antriebsleistung bereitstellt bzw. Wärme generiert wird. Der thermoelektrische Generator ist im Betrieb an elektrische Speicher und/oder elektrische Verbraucher und/oder einen Lastwiderstand gekoppelt und zur Übertragung einer elektrischen Leistung an diese Einrichtungen geeignet. Das Feststellen einer Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine erfolgt insbesondere über eine Steuerung, die über geeignete Sensoren verfügt und/oder durch ein Kennfeld, das für alle Betriebspunkte eine entsprechend Kühlleistung feststellt. Durch den Vergleich der Kühlleistung, die entweder eine Ist-Kühlleistung oder eine im Voraus berechnete also prognostizierte Kühlleistung ist, mit einer Mindest-Kühlleistung der Verbrennungskraftmaschine wird ermittelt, ob die Kühlleistung der Verbrennungskraftmaschine gesteigert werden soll. Ist dies der Fall, wird entsprechend die Kühlung des thermoelektrischen Generators eingestellt, unterbrochen oder reduziert, so dass infolge der gekoppelten Kühlung der Verbrennungskraftmaschine und des thermoelektrischen Generators eine erhöhte Kühlleistung für die Verbrennungskraftmaschine bereitgestellt werden kann.
Insbesondere kann die Reduzierung bzw. Unterbrechung/Abschaltung der Kühlung wieder aufgehoben werden, sobald eine ausreichende Kühlleistung für den thermoelektrischen Generator bereitgestellt werden kann.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit dem thermoelektrischen Generator oder mit dem Kraftfahrzeug beschrieben wurden, auch für das Verfahren zur Anwendung gelangen können, und umgekehrt.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren besonders bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung aufzeigen, diese jedoch nicht darauf beschränkt ist. Es zeigen schematisch:
1: ein Kraftfahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator,
2: einen thermoelektrischen Generator mit einer Kühlung, und
3: einen thermoelektrischen Generator mit einer Verbindungsschicht und einer Kühlung.
1 zeigt ein Kraftfahrzeug 8 mit einer Verbrennungskraftmaschine 9, einer Abgasanlage 10 und einem in der Abgasanlage 10 angeordneten thermoelektrischen Generator 1. Ein Abgas 11 durchströmt die Abgasanlage 10 ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine 9. Weiterhin ist eine Kühlung 5 vorgesehen, die zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 9 und des thermoelektrischen Generators 1 eingerichtet ist. Die Kühlung 5 umfasst eine Regelung 18, die den Durchfluss eines Kühlmediums 12 steuert und die damit die Kühlung 5 des thermoelektrischen Generators 1 reduzieren bzw. abschalten kann. Dies erfolgt z. B. dann wenn die (erforderliche) Mindest-Kühlleistung 14 der Verbrennungskraftmaschine 9 größer ist als die Kühlleistung 13, die ohne weitere Regelung zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 9 zur Verfügung steht. Durch die Regelung 18 kann die Durchströmung eines Bypass 15 geregelt werden, so dass die Kühlleistung 13 des thermoelektrischen Generators 1 quasi unabhängig von der Kühlleistung 13 der Verbrennungskraftmaschine 9 geregelt werden kann. Das heißt, während die Kühlung des thermoelektrischen Generators 1 reduziert oder eingestellt wird, erfolgt weiterhin die Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 9.
2 zeigt einen thermoelektrischen Generator 1 mit einer Kühlung 5. Der thermoelektrische Generator 1 ist hier rohrförmig dargestellt, wobei innerhalb einer Innenumfangsfläche 20 des thermoelektrischen Generators 1 ein Kanal 21 gebildet ist, der von einem heißen Abgas 11 durchströmt wird und damit eine Heißseite 2 bildet. Die Außenumfangsfläche 19 des thermoelektrischen Generators 1 wird entsprechend von einem Kühlmedium 12 beaufschlagt, so dass hier die Kaltseite 3 des thermoelektrischen Generators 1 ausgebildet ist. Zwischen der Heißseite 2 und der Kaltseite 3 sind thermoelektrische Elemente 4 angeordnet, die wechselweise über elektrisch leitende Brückenelemente 22 miteinander elektrisch leitend verbunden sind. Zwischen der Heißseite 2 und den thermoelektrischen Elementen 4 sowie auch zwischen der Kaltseite 3 und den thermoelektrischen Elementen 4 ist weiterhin eine elektrische Isolation 23 angeordnet. Die Kaltseite 3 wird von einem Kühlmedium 12 beaufschlagt, das in einer Kühlung 5 eingesetzt wird. Die gezeigte Kühlung 5 weist eine Regelung 18 (Kontrolleinheit, Motorsteuerung, etc.) auf, durch die die Kühlleistung 13 der Kaltseite 3 bzw. des thermoelektrischen Generators 1 geregelt werden kann. Weiterhin ist ein Bypass 15 vorgesehen, so dass durch die Regelung 18 nur die Beaufschlagung der Kaltseite 3 mit dem Kühlmedium 12 geregelt wird, aber nicht die Beaufschlagung z. B. einer Verbrennungskraftmaschine durch die Kühlung 5.
3 zeigt einen thermoelektrischen Generator 1, der ebenfalls ringförmig aufgebaut ist. In der oberen Hälfte ist dargestellt, dass der thermoelektrische Generator 1 an seiner Kaltseite 3 eine Verbindungsschicht 6 aufweist, die durch ein Wärmeträgerfluid 7 befüllbar ist. Die Verbindungsschicht 6 wird von dem Kühlmedium 12 überströmt bzw. beaufschlagt, so dass ein Wärmestrom ausgehend von der Heißseite 2 über die thermoelektrischen Elemente 4 und die Kaltseite 3 sowie über die Verbindungsschicht 6 hin zur Kühlung 5 bzw. zum Kühlmedium 12 erfolgt und dort entsprechend abgeführt wird. Das Wärmeträgerfluid 7 kann hier zumindest teilweise durch einen Isolator 16 ersetzt werden, so dass die Verbindungsschicht 6 einen einstellbaren Wärmeleitwert aufweist.
In der unteren Hälfte der 3 ist eine Verbindungsschicht 6 an der Kaltseite 3 des thermoelektrischen Generators angeordnet, wobei die Verbindungsschicht 6 durch die Kühlung 5 gekühlt wird. Die Verbindungsschicht 6 ist mit einem Wärmeträgerfluid 7 gefüllt, dass hier ein Phasen-Wechsel-Material 17 ist. Bei einer bestimmten Temperatur wandelt sich dieses Phasen-Wechsel-Material 17 zumindest teilweise um, so dass die Verbindungsschicht 6 einen veränderbaren Wärmeleitwert aufweist. Die Temperatur, bei der sich das Phasen-Wechsel-Material 17 entsprechend umwandelt, kann gleichfalls durch den Druck innerhalb der Verbindungsschicht 6 geregelt werden, so dass das Phasen-Wechsel-Material 17 in einem bestimmten (einstellbaren) Temperaturbereich umwandelbar ist.
Durch die vorliegende. Erfindung wird der Einsatz eines thermoelektrischen Generators auch in heutige bestehende Fahrzeugkonzepte ohne weiteres ermöglicht, da die großvolumigen Kühlsysteme insbesondere von Personenkraftfahrzeugen nicht erweitert werden müssen. Die nur in selten auftretenden Fällen benötigte maximale Kühlleistung wird durch den maximalen Bedarf der Verbrennungskraftmaschine definiert und muss nicht zusätzlich den dann hohen Bedarf eines thermoelektrischen Generators berücksichtigen. Insbesondere wird gerade bei rohrförmigen thermoelektrischen Generatoren mit üblicherweise innenliegender Abgasführung vermieden, dass auf der Heißseite eine ggf. isolierende Verbindungsschicht als Überlastschutz anzuordnen ist, um die Kühlleistung zu minimieren. Dadurch würde nämlich der Innendurchmesser des thermoelektrischen Generators vergrößert werden müssen und entsprechend mehr Material an thermoelektrischem Material, Isolation, Brückenelementen usw. für den Aufbau erforderlich sein. Weiterhin kann durch die Regelung der Kühlung des thermoelektrischen Generators das Temperaturpotential und damit die Energieerzeugung am thermoelektrischen Generator gesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Thermoelektrischer Generator
2: Heißseite
3: Kaltseite
4: Thermoelektrische Elemente
5: Kühlung
6: Verbindungsschicht
7: Wärmeträgerfluid
8: Kraftfahrzeug
9: Verbrennungskraftmaschine
10: Abgasanlage
11: Abgas
12: Kühlmedium
13: Kühlleistung
14: Mindest-Kühlleistung
15: Bypass
16: Isolator
17: Phasen-Wechsel-Material
18: Regelung
19: Außenumfangsfläche
20: Innenumfangsfläche
21: Kanal
22: Brückenelemente
23: Isolation

Claims

Thermoelektrischer Generator (1) zumindest aufweisend eine Heißseite (2), eine Kaltseite (3) sowie dazwischen angeordnete thermoelektrische Elemente (4), wobei die Kaltseite (3) mit einer Kühlung (5) verbunden ist und die Kühlung (5) während des Betriebs des thermoelektrischen Generators (1) zumindest teilweise abschaltbar oder entkoppelbar ist.
Thermoelektrischer Generator (1) gemäß Patentanspruch 1, wobei die Kaltseite (2) des thermoelektrischen Generators (1) mit der Kühlung (5) durch eine Verbindungsschicht (6) wärmeleitend verbunden ist und die Verbindungsschicht (6) geeignet ist, die Wärmeleitung von der Kaltseite (3) zur Kühlung (5) während des Betriebs des thermoelektrischen Generators (1) zu reduzieren oder zu unterbrechen.
Thermoelektrischer Generator (1) gemäß Patentanspruch 2, wobei die Verbindungsschicht (6) ein Wärmeträgerfluid (7) umfasst, das zur Reduzierung oder Unterbrechung der Wärmeleitung von der Kaltseite (3) zur Kühlung (5) aus der Verbindungsschicht (6) zumindest teilweise entfernbar ist.
Thermoelektrischer Generator (1) gemäß Patentanspruch 2 oder 3, wobei die Verbindungsschicht (6) einen Isolator (16) umfasst, der geeignet ist, die Wärmeleitung von der Kaltseite (3) zur Kühlung (5) zu reduzieren oder zu unterbrechen.
Thermoelektrischer Generator (1) gemäß einem der Patentansprüche 2 bis 4, wobei die Verbindungsschicht (6) ein Phasen-Wechsel-Material (17) umfasst, das zur Reduzierung oder Unterbrechung der Wärmeleitung von der Kaltseite (3) zur Kühlung (5) geeignet ist.
Kraftfahrzeug (8) zumindest aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (9), eine Abgasanlage (10) und einen thermoelektrischen Generator (1), sowie eine Kühlung (5) für die Verbrennungskraftmaschine (9) und den thermoelektrischen Generator (1), wobei die Kühlung (5) des thermoelektrischen Generators (1) während des Betriebs des Kraftfahrzeugs (8) zumindest teilweise entkoppelbar oder abschaltbar ist, unabhängig von der Kühlung (5) der Verbrennungskraftmaschine (9).
Kraftfahrzeug (8) gemäß Patentanspruch 6, wobei der thermoelektrische Generator (1) eine Heißseite (2), eine Kaltseite (3) und dazwischen angeordnete thermoelektrische Elemente (4) aufweist und die Kaltseite (3) des thermoelektrischen Generators (1) mit der Kühlung (5) durch eine Verbindungsschicht (6) wärmeleitend verbunden ist und die Verbindungsschicht (6) geeignet ist, die Wärmeleitung von der Kaltseite (3) zur Kühlung (5) während des Betriebs des thermoelektrischen Generators (1) zu reduzieren oder zu unterbrechen.