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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zu elektrischen Wärmenutzung mit einem thermoelektrischen Modul, das mit einer Wärmetauscherstruktur wärmeübertragend verbunden ist gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der
DE 10 2009 025 046 A1 ist eine gattungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Abgaswärmenutzung bekannt, wobei diese Vorrichtung zumindest ein Abgasrohr, zumindest ein thermoelektrisches Element und zumindest einen Kühlmittelbehälter aufweist, der zur Führung von Kühlmittel ausgebildet ist. Das zumindest eine Abgasrohr, das zumindest eine thermoelektrische Element und der Kühlmittelbehälter sind dabei derart angeordnet, dass sich das thermoelektrische Element zwischen dem Abgasrohr und dem Kühlmittelbehälter befindet und an einer ersten Oberfläche an das Abgasrohr geklebt ist. An einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche, steht das thermoelektrische Element mit dem Kühlmittelbehälter in Kontakt.
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Durch die zunehmende Bestrebung, Fahrzeuge effizienter und insbesondere auch emissionsärmer zu gestalten, ist die Entwicklung neuer Technologien, insbesondere im Hinblick auf eine Energierückgewinnung, von besonderem Vorteil. Derzeit werden noch ca. 30% der Energie, die im Kraftstoff enthalten ist, in Form von ungenutzter Abgaswärme aus dem Kraftfahrzeug in die Umgebung abgeführt. Diese vergleichsweise hohe Wärmeenergie kann jedoch elektrisch genutzt werden, insbesondere durch die Nutzung des sog. Seebeck-Effekts (thermoelektrischer Effekt).
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad auszeichnet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer an sich bekannten Vorrichtung zur elektrischen Wärmenutzung mit einem thermoelektrischen Modul und einer damit wärmeübertragend verbundenen Wärmetauscherstruktur, eine Laserlöt- oder Laserschweißverbindung zwischen dem thermoelektrischen Modul und der Wärmetauscherstruktur vorzusehen, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragung und damit ein optimaler Wirkungsgrad garantiert werden können. Das Laserlöten bzw. Laserschweißen bietet somit den großen Vorteil, dass eine form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Modul und der Wärmetauscherstruktur geschaffen wird, die den Wärmeübergang deutlich verbessert. Insbesondere können dabei die aus dem Stand der Technik bekannten und den Wärmeübergang stark beeinträchtigenden Luftspalte zwischen der Wärmetauscherstruktur und dem thermoelektrischen Modul verhindert werden. Derartige Luftspalte treten immer wieder bei lediglich kraftschlüssigen Verbindungskonzepten auf, bei welchen die Wärmetauscherstruktur lediglich mit dem thermoelektrischen Modul verspannt wird. Insbesondere das Laserschweißen ermöglicht darüber hinaus eine hohe Schweißgeschwindigkeit bei gleichzeitig schmaler und schlanker Schweißnahtform mit äußerst geringem thermischen Verzug, da lediglich vergleichsweise wenig thermische Energie in den zu verschweißenden Werkstoff eingetragen wird. Dies ist insbesondere bei Schweißen von thermoelektrischen Modulen von besonderem Vorteil, da diese aufgrund eines zu großen Wärmeeintrags beim Schweißen Schaden nehmen würden. In übertragbarer Form lassen sich auch beim Laserlöten Nähte mit entsprechend geringem Wärmeeintrag exakt und prozesssicher herstellen, wodurch das erfindungsgemäß verwendete Laserlöten bzw. Laserschweißen einen einerseits optimalen Wärmeübergang zwischen der Wärmetauscherstruktur und dem thermoelektrischen Modul gewährleistet, andererseits aufgrund des vergleichsweise geringen thermischen Energieeintrags keine Beschädigungen des thermoelektrischen Moduls hervorruft.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung, ist die Vorrichtung zur elektrischen Abgaswärmenutzung ausgebildet und besitzt zumindest ein abgasführendes Bauteil, das thermoelektrische Modul, zwei Wärmetauscherstrukturen sowie ein kühlmittelführendes Bauteil, wobei das thermoelektrische Modul zwischen den beiden anderen Bauteilen angeordnet ist und über die Wärmetauscherstrukturen an das kühlmittelführende Bauteil und an das abgasführende Bauteil angeschlossen ist.
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Hierdurch ist ein vergleichsweise hoher Temperaturgradient im thermoelektrischen Modul möglich, wodurch vergleichsweise viel elektrische Energie gewonnen werden kann. Selbstverständlich ist alternativ auch vorstellbar, dass die Wärmetauscherstruktur beispielsweise direkt mit Abgas in Kontakt steht und dadurch die Wärmeenergie des Abgases über die Wärmetauscherstruktur an das thermoelektrische Modul übertragen wird. Durch die Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Modul und der Wärmetauscherstruktur können insbesondere bisher an dieser Stelle auftretende Luftspalte, die den Wärmeübergang drastisch reduzieren, vermieden werden, wodurch die erfindungsgemäße Vorrichtung einen deutlich verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch:
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1 eine Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur elektrischen Wärmenutzung,
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2 eine weitere mögliche Ausführungsform,
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3 die Vorrichtung zur elektrischen Abgaswärmenutzung mit abgasführenden und kühlmittelführenden Bauteilen.
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Entsprechend der 1, weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur elektrischen Wärmenutzung, insbesondere zur elektrischen Abgaswärmenutzung, ein thermoelektrisches Modul 2, hier zwei thermoelektrische Module 2 und 2' auf, das/die mit einer Wärmetauscherstruktur 3 wärmeübertragend verbunden ist/sind. Erfindungsgemäß ist dabei das thermoelektrische Modul 2, 2' über eine Laserlöt- oder Laserschweißverbindung mit der Wärmetauscherstruktur 3 verbunden, wodurch insbesondere in diesem Verbindungsbereich bisher auftretende und den Wärmeübergang negativ beeinträchtigende Luftspalte zuverlässig ausgeschlossen werden können. Die gemäß der 1 gezeigte Wärmetauscherstruktur weist dabei Rippen und/oder Finnen 7 auf, kann jedoch aber prinzipiell auch vollkommen anders ausgebildet werden, wobei darauf geachtet wird, dass eine große Wärmeübertragungsfläche und damit ein großer Wärmeübertrag erfolgen kann.
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Die Wärmetauscherstruktur 3 kann beispielsweise direkt mit einem Abgasstrom in Kontakt stehen und dadurch einen hohen Wärmeübertrag an das thermoelektrische Modul 2, 2' bewirken. Durch die erfindungsgemäße Laserlöt- oder Laserschweißverbindung zwischen der Wärmetauscherstruktur 3 und dem thermoelektrischen Modul 2, 2' kann jedoch nicht nur ein besonders guter Wärmeübertrag gewährleistet werden, sondern auch eine Beschädigung des thermoelektrischen Moduls 2, 2' zuverlässig ausgeschlossen werden, da der beim Laserlöten bzw. Laserschweißen in das thermoelektrische Modul 2, 2' eingebrachte Wärmeeintrag vergleichsweise gering ist und nicht zu einer Beschädigung des thermoelektrischen Moduls 2, 2' führt.
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Gemäß der 2 ist eine weitere Vorrichtung 1 mit jedoch lediglich einem einzigen thermoelektrischen Modul 2 dargestellt, wobei hier ebenfalls das thermoelektrische Modul 2 über eine Laserlöt- bzw. Laserschweißverbindung mit der Wärmetauscherstruktur 3 wärmeübertragend gekoppelt ist. Die Wärmetauscherstruktur 3 kann dabei punktförmig, linienförmig oder flächig mit dem thermoelektrischen Modul 2, 2' verlötet oder verschweißt werden, je nach gewünschter Höhe des Wärmeübertrags. Von besonderem Vorteil ist darüber hinaus, dass die Wärmetauscherstruktur 3 und das thermoelektrische Modul 2, 2' eine vorfertigbare bzw. vorgefertigte Baugruppe bilden können, die in diesem Zustand beispielsweise in einem Abgasstrang eines nicht gezeigten Kraftfahrzeuges eingebaut werden kann. Für den hohen Wärmeübertrag zwischen der Wärmetauscherstruktur 3 und dem thermoelektrischen Modul 2, 2' ist vorzugsweise ein spaltfreies Aneinanderliegen der beiden Komponenten 2, 3 aneinander erforderlich. In 2 ist dabei zusätzlich eine Löt- oder Schweißschicht 6 zwischen dem thermoelektrischen Modul 2 und der Wärmetauscherstruktur 3 eingezeichnet, wobei die Größenverhältnisse lediglich rein exemplarisch zu verstehen sind, so dass die Löt- oder Schweißschicht 6 zur besseren Darstellbarkeit überhöht gezeichnet wurde.
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Entsprechend der 3, weist die dort gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur elektrischen Wärmenutzung abgasführende Bauteile 4, thermoelektrische Module 2 und kühlmittelführende Bauteile 5 auf. Zwischen jeweils einem abgasführenden Bauteil 4 und einem benachbart dazu angeordneten kühlmittelführenden Bauteil 5 ist dabei ein thermoelektrisches Element 2, hier mehrere thermoelektrische Elemente 2, angeordnet, wobei das jeweilige thermoelektrische Element 2 über entsprechende Wärmetauscherstrukturen 3 in erfindungsgemäßer Weise an das kühlmittelführende Bauteil 5 sowie an das abgasführende Bauteil 4 angeschlossen ist. Hierbei ist nicht nur eine Laserlöt- oder Laserschweißverbindung zwischen der Wärmetauscherstruktur 3 und dem thermoelektrischen Modul 2 denkbar, sondern zugleich auch eine derartige Laserlöt- bzw. Laserscheißverbindung zwischen der Wärmetauscherstruktur 3 und dem abgasführenden Bauteil 4 bzw. dem kühlmittelführenden Bauteil 5. Durch die Anordnung der thermoelektrischen Module 2 zwischen dem abgasführenden Bauteil 4 und dem kühlmittelführenden Bauteil 5 kann im thermoelektrischen Element 2 ein besonders hoher Temperaturgradient und dadurch eine besonders effektive Erzeugung elektrischer Energie erreicht werden. Die Schweißtiefe der Laserschweißverbindung zwischen der Wärmetauscherstruktur 3 und dem thermoelektrischen Modul 2 ist vergleichsweise gering und beträgt ca. 0,2 mm.
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Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 lässt sich ein besonders hoher Wirkungsgrad hinsichtlich elektrischer Energierückgewinnung erreichen, da zwischen der Wärmetauscherstruktur 3 und dem thermoelektrischen Modul 2, 2' andererseits ein hoher Wärmeübertrag erreicht werden kann. Insbesondere wird durch die erfindungsgemäß eingesetzte Laserlöt- oder Laserschweißverbindung ein bisher in diesem Bereich vorhandener Luftspalt, der den Wärmeübertrag negativ beeinträchtigt hat, eliminiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009025046 A1 [0002]
