DE102011113307A1

DE102011113307A1 - Thermoelektrischer Generator mit kompaktem Aufbau

Info

Publication number: DE102011113307A1
Application number: DE102011113307A
Authority: DE
Inventors: Boris MAZAR; Andreas Bauknecht; Matthias LINDE
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG; Continental Automotive GmbH
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-14
Also published as: WO2013037689A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie, zumindest aufweisend einen entlang einer Achse (13) in einer axialen Richtung (3) verlaufenden Kanal (4) und einen, den Kanal (4) umgebenden ersten Ringkanal (7), der eine erste innere Umfangsfläche (8) und eine erste äußere Umfangsfläche (9) aufweist. Zwischen der ersten inneren Umfangsfläche (8) und der ersten äußeren Umfangsfläche (9) ist mindestens ein thermoelektrisches Modul (10) angeordnet, wobei ein Abgas (2) in der axialen Richtung (3) in den Kanal (4) einströmt und dort in eine radiale Richtung (5) umgelenkt wird. Das Abgas (2) strömt, ausgehend von dem Kanal (4) in den ersten Ringkanal (7) über mindestens eine erste Öffnung (6) in der ersten inneren Umfangsfläche (8) ein, wobei das Abgas (2) das thermoelektrische Modul (10) in einer Umfangsrichtung (11) umströmt und über mindestens eine zweite Öffnung (12) in der ersten äußeren Umfangsfläche (9) aus dem Ringkanal (7) austritt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie, also insbesondere einen thermoelektrischen Generator, sowie den Einsatz einer solchen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug.
Thermoelektrische Module können einzeln oder in einer Mehrzahl als thermoelektrischer Generator eingesetzt werden, der aus einem Temperaturgradienten und dem daraus resultierenden Wärmestrom elektrische Energie erzeugt. Die Erzeugung der elektrischen Energie erfolgt aufgrund des sogenannten Seebeck-Effekts. Thermoelektrische Module sind aus elektrisch miteinander verschalteten p-dotierten und n-dotierten thermoelektrischen Materialien aufgebaut. Die thermoelektrischen Materialien weisen eine sogenannte Heißseite und eine gegenüberliegend angeordnete Kaltseite auf, über die sie jeweils elektrisch leitend wechselweise mit benachbart angeordneten weiteren thermoelektrischen Materialien verbunden sind. Die Heißseite ist dabei mit einer Wandung eines thermoelektrischen Moduls wärmeleitend verbunden, die mit einem heißen Medium beaufschlagt wird. Entsprechend ist die Kaltseite des thermoelektrischen Materials mit einer anderen Wandung des thermoelektrischen Moduls in wärmeleitender Verbindung, die mit einem kalten Medium beaufschlagt ist.
Derartige thermoelektrische Generatoren kommen insbesondere in Kraftfahrzeugen, aber auch in anderen technischen Gebieten zum Einsatz, in denen ein Temperaturgradient durch die Anordnung von thermoelektrischen Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie ausgenutzt werden kann.
Bei der Integration von thermoelektrischen Generatoren in übergeordnete Einheiten, insbesondere in Kraftfahrzeuge, sind hohe Anforderungen an eine effiziente Raumausnutzung zu erfüllen. Thermoelektrische Generatoren sind entsprechend möglichst kleinvolumig aufzubauen, wobei gleichzeitig eine hohe Effektivität bei der Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie gewährleistet sein muss.
Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es demnach, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie angegeben werden, die einerseits eine kompakte Bauform aufweist, andererseits aber eine hohe Effektivität in der Umwandlung der thermischen Energie gewährleistet. Darüber hinaus wird der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug vorgeschlagen.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung 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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie weist zumindest einen, entlang einer Achse (insbesondere einer Mittelachse) in einer axialen Richtung verlaufenden, Kanal auf und einen den Kanal umgebenden ersten Ringkanal.
Der erste Ringkanal weist eine erste innere Umfangsfläche und eine erste äußere Umfangsfläche auf, wobei zwischen der ersten inneren Umfangsfläche und der ersten äußeren Umfangsfläche mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet ist. Das Abgas strömt in der axialen Richtung in den Kanal ein und wird dort in eine radiale Richtung umgelenkt. Das Abgas strömt ausgehend von dem Kanal in den ersten Ringkanal über mindestens eine erste Öffnung in der ersten inneren Umfangsfläche ein. Das Abgas umströmt das thermoelektrische Modul nun in einer Umfangsrichtung und tritt über mindestens eine zweite Öffnung in der ersten äußeren Umfangsfläche aus dem ersten Ringkanal aus.
Insbesondere weist hierbei der Kanal/die Vorrichtung eine erste offene Stirnseite und eine zweite (wenigstens zeitweise) geschlossene Stirnseite auf, wobei das Abgas über die erste offene Stirnseite in den Kanal einströmt. Durch die geschlossene zweite Stirnseite wird das Abgas gezwungen, in radialer Richtung den Kanal zu verlassen und in einen ersten Ringkanal einzuströmen, der den Kanal insbesondere vollumfänglich umgibt. Bevorzugt ist die Vorrichtung in Umfangsrichtung rund, elliptisch oder auch vieleckig ausgeführt.
Insbesondere ermöglicht die axiale Einströmung des Abgases in die Vorrichtung bzw. in den Kanal und die nachfolgende Umlenkung in eine radiale Richtung einen kompakten Aufbau der Vorrichtung. Darüber hinaus wird eine Queranströmung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls im Wesentlichen vermieden. Das Abgas tritt in den ersten Ringkanal über die erste Öffnung in radialer Richtung ein und verteilt sich im ersten Ringkanal über den Querschnitt des ersten Ringkanals in radialer Richtung. Im ersten Ringkanal strömt das Abgas nun in Umfangsrichtung hin zu der zweiten Öffnung und beaufschlagt dabei das mindestens eine thermoelektrische Modul. Das mindestens eine thermoelektrische Modul wird entsprechend nicht quer überströmt sondern entlang seiner Erstreckung von dem Abgas beaufschlagt. Eine Queranströmung von thermoelektrischen Modulen bedeutet, dass diese nicht gleichmäßig von Abgas beaufschlagt werden können. Entsprechend würde eine der Einströmung des Abgases abgewandte Seite eines thermoelektrischen Moduls nicht unmittelbar von dem Abgas beaufschlagt werden, so dass sich ein ungleichmäßiges Temperaturprofil an einem Querschnitt des thermoelektrischen Moduls einstellen würde. Eine effektive Ausnutzung der thermischen Energie wäre bei einer solchen Queranströmung ebenfalls nicht möglich, da die an der abgewandten Seite angeordneten thermoelektrischen Materialien in geringerem Maße von Abgas beaufschlagt werden. Weiterhin kann eine entsprechende nicht gleichmäßige Beaufschlagung dazu führen, dass der Wirkungsgrad des thermoelektrischen Moduls sinkt, da die innerhalb des thermoelektrischen Moduls angeordneten thermoelektrischen Materialien einem ungleichmäßigen Temperaturprofil ausgesetzt sind.
Besonders bevorzugt ist zwischen dem Kanal und dem ersten Ringkanal zumindest ein (weiterer) zweiter Ringkanal angeordnet, in den das Abgas ausgehend vom Kanal einströmt. Das heißt insbesondere auch, dass das Abgas erst nach Verlassen des (inneren) zweiten Ringkanals durch die erste Öffnung in der ersten inneren Umfangsfläche des ersten Ringkanals hindurch in den ersten Ringkanal selbst eintritt. Dieser zweite Ringkanal ist insbesondere durch eine für das Abgas durchlässige zweite innere Umfangsfläche von dem Kanal (räumlich) getrennt. Die innere Umfangsfläche kann dabei beispielsweise eine Vielzahl von Durchbrechungen, Kanälen, Poren, etc. aufweisen, wobei dies mit einem einstückigen Bauteil (z. B. eine Art Rohr) ebenso realisierbar ist wie mit einem (komplexen) Strömungsverteiler (wie z. B. einer Art Wabenkörper mit Kanälen). Das Abgas tritt insbesondere über die gesamte zweite innere Umfangsfläche in den zweiten Ringkanal (gleichmäßig verteilt in Umfangsrichtung und/oder axiale Richtung) ein und strömt von dort weiter über die erste Öffnung in den ersten Ringkanal.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird die zweite innere Umfangsfläche durch einen (im Wesentlichen) radial durchströmbaren Wabenkörper gebildet, der eine Vielzahl von Strömungspfaden (oder Kanälen) für das Abgas aufweist.
Die erste Öffnung erstreckt sich insbesondere in der axialen Richtung im Wesentlichen über die gesamte Länge des ersten Ringkanals. Insbesondere ist die erste Öffnung in der axialen Richtung eine durchgehende Öffnung, z. B. nach Art eines Schlitzes. Bevorzugt weist die erste Öffnung, entlang der axialen Richtung, sich in Umfangsrichtung erstreckende Verengungen und Erweiterungen auf, durch die der Abgasstrom beim Durchtritt der ersten Öffnung geregelt wird.
In der Umfangsrichtung erstreckt sich die erste Öffnung, ausgehend von der Achse, insbesondere über einen Winkelbereich von höchstens 2°, insbesondere von höchstens 5°. Die erste Öffnung ist insbesondere so gestaltet, dass der gesamte, in den Kanal einströmende, Abgasstrom durch die erste Öffnung ohne nennenswerte Strömungsverluste in den ersten Ringkanal einströmen kann. Die erste Öffnung weist daher bevorzugt einen entsprechend gestalteten Öffnungsquerschnitt auf.
Bevorzugt ist in dem ersten Ringkanal mindestens ein thermoelektrisches Modul angeordnet, das sich (ausschließlich oder im Wesentlichen) in Umfangsrichtung entlang der ersten inneren Umfangsfläche erstreckt. Dabei ist das thermoelektrische Modul insbesondere von der ersten inneren Umfangsfläche und bevorzugt auch von der ersten äußeren Umfangsfläche beabstandet angeordnet, so dass das thermoelektrische Modul an seiner Außenfläche von dem Abgas beaufschlagt werden kann.
Insbesondere ist eine Vielzahl von thermoelektrischen Modulen nebeneinander in der axialen Richtung in dem ersten Ringkanal angeordnet. Bevorzugt sind weitere thermoelektrische Module, in radialer Richtung nach außen, innerhalb des ersten Ringkanals angeordnet.
Insbesondere strömt das Abgas über die erste Öffnung, die sich in Umfangsrichtung nur über einen kleinen Winkelbereich erstreckt, in den ersten Ringkanal ein und beströmt ggf. die in diesem (kleinen) Bereich in Umfangsrichtung verlaufenden thermoelektrischen Module in einer Queranströmung. Das Abgas verteilt sich in dem ersten Ringkanal und strömt dann in Umfangsrichtung zwischen erster innerer Umfangsfläche und erster äußerer Umfangsfläche in Richtung der zweiten Öffnung. Dabei werden die thermoelektrischen Module in Richtung ihrer Erstreckung überströmt und eine gleichmäßige Beaufschlagung der Außenfläche der thermoelektrischen Module durch das Abgas stellt sich ein.
Somit kann durch die Vorrichtung einerseits ein kompakter thermoelektrischer Generator zur Verfügung gestellt werden. Andererseits werden die thermoelektrischen Module in Richtung ihrer Erstreckung von dem heißen Medium, hier ein Abgas, überströmt, so dass eine gleichmäßige Temperatur an der Außenfläche (Heißseite) vorliegt und folglich die thermoelektrischen Materialien effizient hinsichtlich ihrer Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden. Insbesondere ist es möglich, dass in Umfangsrichtung der Vorrichtung und entlang der Erstreckung der thermoelektrischen Module unterschiedliche thermoelektrische Materialien eingesetzt werden, so dass die thermische Energie des sich in Umfangsrichtung abkühlenden Abgasstroms effizient genutzt werden kann.
Insbesondere ist das mindestens eine thermoelektrische Modul rohrförmig bzw. ringförmig ausgestaltet und erstreckt sich entsprechend (ausschließlich oder im Wesentlichen) in Umfangsrichtung durch den ersten Ringkanal. Die Außenfläche des thermoelektrischen Moduls wird hier als sogenannte Heißseite des thermoelektrischen Moduls genutzt. Im Inneren des rohrförmigen bzw. ringförmigen thermoelektrischen Moduls ist entsprechend eine in Umfangsrichtung der Vorrichtung verlaufende Leitung für ein kaltes Medium angeordnet, so dass dort die Kaltseite realisiert ist. Zwischen der Kaltseite und der Heißseite sind die thermoelektrischen Materialien angeordnet, die z. B. ringförmig hintereinander in Umfangsrichtung der Vorrichtung angeordnet sein können. Andere Ausgestaltungen von thermoelektrischen Materialien sind ebenfalls denkbar.
Nach dem Überströmen der Außenfläche des mindestens einen thermoelektrischen Moduls strömt das Abgas über die zweite Öffnung in der ersten äußeren Umfangsfläche aus dem ersten Ringkanal heraus und wird entlang einer Abgasleitung weitergeführt.
Auch die zweite Öffnung erstreckt sich insbesondere über die gesamte Länge der Vorrichtung, wobei in Umfangsrichtung der Vorrichtung auch hier lediglich eine Erstreckung über einen Winkelbereich von höchstens 2°, insbesondere 5° vorgesehen ist. Bevorzugt ist somit insbesondere auch die Ausgestaltung der zweiten Öffnung nach Art eines Schlitzes oder dergleichen. Die weiteren Ausführungen hinsichtlich der ersten Öffnung gelten entsprechend für die zweite Öffnung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die erste Öffnung und die zweite Öffnung um 180° zueinander versetzt angeordnet. Dies bedeutet insbesondere, dass das Abgas über die mindestens eine erste Öffnung in den ersten Ringkanal eintritt und entsprechend in Umfangsrichtung hin zur zweiten Öffnung strömt. Durch diese bevorzugte Anordnung der ersten Öffnung gegenüber der zweiten Öffnung strömt das Abgas, ausgehend von der ersten Öffnung, in jeweils einander entgegengesetzten Umfangsrichtungen hin zur zweiten Öffnung. Ein Versatz von 180° bedeutet insbesondere, dass die Öffnungen bevorzugt (wenigstens zeitweise) auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Ringkanal angeordnet sind. Für die Abgasströmung bedeutet dies, dass zwei gleich lange, im Wesentlichen bevorzugt halbkreisförmige, Strömungspfade um die thermoelektrischen Module herum gebildet sind.
Insbesondere erstreckt sich das mindestens eine thermoelektrische Modul im Wesentlichen in Umfangsrichtung im ersten Ringkanal, wobei es den ersten Ringkanal bevorzugt über einen Winkelbereich von nahezu 360° in Umfangsrichtung entsprechend vollständig ausfüllt. Insbesondere können aber auch mehrere thermoelektrische Module in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist zumindest eine dritte Öffnung in der ersten inneren Umfangsfläche vorgesehen, durch die das Abgas ausgehend von dem Kanal in den ersten Ringkanal eintritt, wobei die dritte Öffnung (in der radialen Richtung) fluchtend zu der zweiten Öffnung angeordnet ist. Insbesondere stellt diese dritte Öffnung eine Art Bypass für das Abgas dar, so dass eine Überströmung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls durch das Abgas weitgehend vermieden werden kann. Ausgehend von dem Kanal strömt das Abgas somit über die dritte Öffnung direkt hin zur zweiten Öffnung und durchquert damit den ersten Ringkanal in radialer Richtung über den kürzesten möglichen Weg, also insbesondere ohne nennenswerten Kontakt mit den thermoelektrischen Materialien. Insbesondere ist entlang dieser Strecke kein thermoelektrisches Modul angeordnet, so dass das Abgas ungehindert von der zweiten Öffnung in Richtung der dritten Öffnung strömen kann.
Bevorzugt kann die dritte Öffnung geöffnet und geschlossen werden. Insbesondere ist dafür ein regelbares Schließelement vorgesehen, das insbesondere stufenlos die dritte Öffnung schließen und öffnen kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die erste Öffnung geöffnet und geschlossen werden, wobei bei Verschließen der dritten Öffnung gleichzeitig die erste Öffnung geöffnet wird. Insbesondere kann dieses Öffnen und Schließen der ersten Öffnung sowie Öffnen und Schließen der dritten Öffnung durch ein einziges Schließelement ermöglicht werden. Ist demnach die erste Öffnung geschlossen und gleichzeitig die dritte Öffnung geöffnet, kann das Abgas über die dritte Öffnung direkt hin zur fluchtend angeordneten zweiten Öffnung in der ersten äußeren Umfangsfläche strömen. Somit kann das mindestens eine thermoelektrische Modul (zumindest weitgehend) umgangen werden.
Bei einer Öffnung der ersten Öffnung und gleichzeitiger Schließung der dritten Öffnung strömt das Abgas in den ersten Ringkanal und in Umfangsrichtung durch den ersten Ringkanal hin zur zweiten Öffnung.
Durch eine nicht vollständige Schließung der ersten Öffnung und eine nicht vollständige Öffnung der dritten Öffnung sowie auch umgekehrt, kann der Abgasstrom mit dem mindestens einen thermoelektrischen Modul geregelt in Kontakt gebracht werden. In diesem Fall strömen ein Teil des Abgasstroms über den Bypass zwischen dritter Öffnung und zweiter Öffnung und ein anderer Teil des Abgasstroms entlang der thermoelektrischen Module zwischen erster Öffnung und zweiter Öffnung.
Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Vorrichtung sieht vor, dass das mindestens eine thermoelektrische Modul ringförmig ausgestaltet ist und sich in Umfangsrichtung zumindest von der ersten Öffnung hin zu der zweiten Öffnung erstreckt. Innerhalb des rohrförmigen thermoelektrischen Moduls ist entsprechend mindestens eine Leitung für ein kaltes Medium vorgesehen, so dass ein entsprechender Temperaturgradient zwischen Außenfläche und Leitung des thermoelektrischen Moduls bereitgestellt wird. Die Leitung des mindestens einen thermoelektrischen Moduls wird insbesondere an mindestens einer Stelle der Vorrichtung nach außen geführt, so dass dort eine Verbindung (Zulauf und/oder Rücklauf) zu einer Kühlvorrichtung vorgesehen ist.
Es wird weiterhin ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, das zumindest eine Verbrennungskraftmaschine und eine Abgasanlage aufweist sowie mindestens eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Es ist auch darauf hinzuweisen, dass der Einsatz der hier vorgeschlagenen Vorrichtung nicht auf Kraftfahrzeuge begrenzt ist. Wie bereits in der Einleitung angegeben, kann die Vorrichtung auch für andere Einsatzfälle vorgesehen werden, in denen ein Temperaturgradient vorliegt, der zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie genutzt werden kann. Soweit hier lediglich die Verwendung mit Abgas als heißes Medium angeführt wurde, bedeutete das nicht, dass die Erfindung darauf beschränkt ist.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele, auf die die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Gleiche Bezugszeichen werden in den Figuren für gleiche Gegenstände verwendet. Es zeigen schematisch:
1: eine Vorrichtung in einer Seitenansicht im Querschnitt,
2: die Vorrichtung nach 1 in einer Frontalansicht im Querschnitt,
3: eine weitere Vorrichtung in einer Seitenansicht in einem Querschnitt,
4: die weitere Vorrichtung nach 3 in einer Frontalansicht in einem Querschnitt und in einem ersten Zustand,
5: die weitere Vorrichtung nach 3 in einer Frontalansicht und in einem zweiten Zustand,
6: die weitere Vorrichtung nach 3 in einer Frontalansicht und in einem dritten Zustand,
7: eine erste Öffnung in einer ersten inneren Umfangsfläche, und
8: ein Kraftfahrzeug.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht im Querschnitt. Die Vorrichtung 1 erstreckt sich entlang einer Achse 13. Ein Abgas 2 strömt über eine erste Stirnseite 26 in den Kanal 4 der Vorrichtung 1 ein. Der Kanal 4 an der zweiten Stirnseite 27 ist verschlossen ausgeführt, so dass das Abgas 2 in dem Kanal 4 in eine radiale Richtung 5 umgelenkt wird. Das Abgas 2 strömt über eine erste Öffnung 6 in einen ersten Ringkanal 7 ein, der durch eine erste innere Umfangsfläche 8 und eine erste äußere Umfangsfläche 9 sowie durch die erste Stirnseite 26 und die zweite Stirnseite 27 der Vorrichtung 1 begrenzt ist. Die erste Öffnung 6 ist an der ersten inneren Umfangsfläche 8 angeordnet. In dem ersten Ringkanal 7 sind mehrere thermoelektrische Module 10 angeordnet. Diese erstrecken sich im ersten Ringkanal 7 entlang der ersten inneren Umfangsfläche 8 um den Kanal 4 herum. Die thermoelektrischen Module 10 sind rohrförmig aufgebaut und weisen eine Außenfläche 28 sowie eine Leitung 23 auf.
Die Außenfläche 28 wird von dem Abgas 2 in dem ersten Ringkanal 7 beaufschlagt. Durch die Leitung 23 strömt ein kaltes Medium 22, so dass ein Temperaturgradient zwischen Außenfläche 28 und Leitung 23 gebildet ist. Innerhalb des thermoelektrischen Moduls 10 sind thermoelektrische Materialien 31 angeordnet, so dass der aus dem Temperaturgradient resultierende und über die thermoelektrischen Materialien 31 strömende Wärmestrom in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die thermoelektrischen Module 10 werden ggf. im Bereich der ersten Öffnung 6 von dem Abgas 2 quer angeströmt. Entsprechend wird die der Einströmung bzw. der ersten Öffnung 6 abgewandte Seite 36 der rohrförmigen thermoelektrischen Module 10 in viel geringerem Maße von Abgas 2 beaufschlagt. Entsprechend ungleichmäßig bildet sich ein Temperaturgradient über den Querschnitt 35 der thermoelektrischen Module 10 in diesem Bereich ihrer Erstreckung 34 aus. Vorteil der vorliegenden Vorrichtung 1 ist nun, dass in dem weiteren Verlauf des ersten Ringkanals 7 die thermoelektrischen Module 10 über ihre Außenfläche 28 gleichmäßig mit Abgas 2 beaufschlagt werden, da auch das Abgas 2 in Umfangsrichtung den ersten Ringkanal 7 durchströmt. Im unteren Teil der 1 ist an der ersten äußeren Umfangsfläche 9 eine zweite Öffnung 12 vorgesehen, über die das Abgas 2 die Vorrichtung 1 verlässt.
2 zeigt die Vorrichtung 1 nach 1 in einer Frontalansicht ausgehend von der ersten Stirnseite 26 im Querschnitt. Im Inneren der Vorrichtung 1 ist zentral der Kanal 4 angeordnet, in den das Abgas 2 ausgehend von der ersten Stirnseite 26 in axialer Richtung 3 einströmt. In dem Kanal 4 wird das Abgas 2 umgeleitet und strömt in radialer Richtung 5 über die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 ein. Dort wird das Abgas 2 erneut umgelenkt und strömt in Umfangsrichtung 11 entlang des ersten Ringkanals 7 hin zu der zweiten Öffnung 12, die in der ersten äußeren Umfangsfläche 9 der Vorrichtung 1 angeordnet ist. Die thermoelektrischen Module 10 sind hier ringförmig, aber in Umfangsrichtung 11 geteilt, dargestellt, wobei sie sich über einen Winkelbereich 18 von nahezu 360° erstrecken. Hier sind in dem in 2 gezeigten Querschnitt zwei thermoelektrische Module 10 mit jeweils einer Erstreckung 34 von der ersten Öffnung 6 hin zu der zweiten Öffnung 12 vorgesehen. Ein Durchbruch 37 ist fluchtend in der radialen Richtung 5 zu der ersten Öffnung 6 angeordnet, so dass das Abgas 2 sich ungehindert in radialer Richtung 5 im ersten Ringkanal 7 verteilt. In diesem Fall beströmt das Abgas 2 die thermoelektrischen Module 10 nicht quer (siehe Ausführungen zu 1), da hier in dem thermoelektrischen Modul 10 ein Durchbruch 37 vorgesehen ist. Es ist anzumerken, dass die thermoelektrischen Module 10 in Umfangsrichtung 11 einteilig oder auch mehrteilig ausgeführt sein können, so dass Durchbrüche 37 in radialer Richtung 5 für das Abgas 2 vorliegen können. Die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 12 erstrecken sich in Umfangsrichtung 11 jeweils über einen Winkelbereich 18.
3 zeigt eine weitere Vorrichtung 1 in einer Seitenansicht im Querschnitt. Das Abgas 2 tritt über eine erste Stirnseite 26 in den Kanal 4 der Vorrichtung 1 ein. Dort wird das Abgas 2 in radialer Richtung 5 umgelenkt und strömt über eine zweite innere Umfangsfläche 33 und eine Vielzahl von, zumindest teilweise gegeneinander getrennt ausgeführten, Strömungspfaden 32 in einen zweiten Ringkanal 29 ein. Die Strömungspfade 32 können insbesondere durch einen im Wesentlichen radial durchströmbaren Wabenkörper 25 gebildet sein, der bevorzugt mit einer katalytischen Beschichtung zur Umwandlung von Schadstoffen im Abgas 2 ausgeführt ist. Die Anordnung eines entsprechenden radial durchströmbaren Wabenkörpers 25 führt dazu, dass das Abgas 2 vor Eintritt in den ersten Ringkanal 7 und vor Beaufschlagung der thermoelektrischen Module 10 sich weiter erwärmt und entsprechend eine gesteigerte thermische Energie des Abgases durch die thermoelektrischen Module 10 umgewandelt werden kann. Das Abgas 2 wird nach Durchströmen der Strömungspfade 32 in dem zweiten Ringkanal 29 gesammelt und strömt von dort über eine erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 ein. In dem ersten Ringkanal 7 sind entsprechend thermoelektrische Module 10 angeordnet, die nun von dem Abgas anfangs in radialer Richtung 5 und dann in Umfangsrichtung 11 überströmt werden. Das Abgas 2 durchströmt den ersten Ringkanal 7 in Umfangsrichtung 11 und verlässt die Vorrichtung 1 über eine zweite Öffnung 12. Die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 12 erstrecken sich in der axialen Richtung 3 jeweils über die gesamte Länge 30 der Vorrichtung 1.
4 zeigt die weitere Vorrichtung nach 3 in einer Frontalansicht in einem ersten Zustand. Das Abgas 2 strömt in den inneren Kanal 4 über eine erste Stirnseite 26 ein und wird dort umgelenkt in eine radiale Richtung 5. Der Kanal 4 ist umgeben von einem radial durchströmbaren Wabenkörper 25 mit einer Vielzahl von im Wesentlichen radial verlaufenden Strömungspfaden 32. Das Abgas 2 strömt über den radial durchströmbaren Wabenkörper 25 in einen zweiten Ringkanal 29 ein. Hier wird das Abgas 2 gesammelt und strömt über die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7. In dem ersten Ringkanal 7 verteilt sich das Abgas 2 in radialer Richtung 5 über den gesamten Querschnitt und strömt von dort ausgehend jeweils in Umfangsrichtung 11 hin zu der zweiten Öffnung 12. Hier ist weiterhin eine dritte Öffnung 14 vorgesehen, die um einen Winkel von 180° versetzt zu der ersten Öffnung 6 angeordnet ist. Die dritte Öffnung 14 ist zudem fluchtend in radialer Richtung 5 zu der zweiten Öffnung 12 angeordnet. Weiterhin ist hier ein Schließelement 19 vorgesehen, dass zum gleichzeitigen Verschließen und Öffnen der ersten Öffnung 6 und der dritten Öffnung 14 geeignet ausgeführt ist.
5 zeigt die weitere Vorrichtung 1 nach 3 in einer Frontalansicht in einem zweiten Zustand. Hier ist das Schließelement 19 so angeordnet, dass die erste Öffnung 6 und die dritte Öffnung 14 jeweils teilweise geöffnet sind. Das Abgas 2 strömt entsprechend mit einem ersten Teilabgasstrom durch die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 ein. Ein weiterer Teilabgasstrom strömt über die dritte Öffnung 14 ebenfalls in den ersten Ringkanal 7, wobei es von dort in radialer Richtung 5 direkt bin zu der zweiten Öffnung 12 strömt und dabei die thermoelektrischen Module 10 zumindest nur in einem sehr geringen Maße beaufschlagt. Lediglich der Teilabgasstrom, der über die erste Öffnung 6 in den ersten Ringkanal 7 einströmt, beaufschlagt die thermoelektrischen Module 10 und strömt durch den ersten Ringkanal 7 in Umfangsrichtung 11 hin zu der zweiten Öffnung 12.
6 zeigt die weitere Vorrichtung 1 nach 3 in einer weiteren Frontalansicht und in einem dritten Zustand, wobei das Abgas 2 nun ausgehend von dem zweiten Ringkanal 29 lediglich über die dritte Öffnung 14 in den ersten Ringkanal 7 einströmt. Das Schließelement 19 verschließt vollständig die erste Öffnung 6 und gleichzeitig ist die dritte Öffnung 14 vollständig geöffnet. Damit ist ein Bypass geschaffen, durch den das gesamte Abgas 2 ausgehend von dem Kanal 4 über die dritte Öffnung 14 hin zu der zweiten Öffnung 12 und damit aus der Vorrichtung 1 strömt. Das Schließelement 19 ist hier als Schiebeelement ausgeführt, das insbesondere auf der ersten inneren Umfangsfläche 8 angeordnet und entsprechend in Umfangsrichtung 11 verschiebbar ausgeführt ist, so dass die erste Öffnung 6 und die dritte Öffnung 14 gleichzeitig und wechselweise verschlossen und geöffnet werden können.
7 zeigt eine erste Öffnung 6 in einer ersten inneren Umfangsfläche 8. Die erste Öffnung 6 erstreckt sich im Wesentlichen über die gesamte Länge 30 der Vorrichtung 1. In der axialen Richtung 3 weist die erste Öffnung 6 sich wechselweise in Umfangsrichtung 11 erstreckende Verengungen 38 und Erweiterungen 39 auf.
8 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug 20 mit einer Verbrennungskraftmaschine 16 und einer Abgasanlage 17, wobei in der Abgasanlage 17 eine Vorrichtung 1 angeordnet ist. Weiterhin ist eine Kühlung 21 vorgesehen, die mit einem kalten Medium 22 einerseits die Verbrennungskraftmaschine 16 und andererseits die Vorrichtung 1 beaufschlagt. Dabei können natürlich auch mehrere Kühlungen 21 vorgesehen sein, so dass die Vorrichtung 1 und die Verbrennungskraftmaschine 16 jeweils unabhängig voneinander mit einem kalten Medium 22 versorgt werden. Den Betrieb der Vorrichtung 1 und ggf. auch in Kommunikation mit der Kühlung 21 und/oder der Verbrennungskraftmaschine 16 kann eine Kontrolleinheit 15 auf die aktuellen Betriebssituationen anpassen. Ausgehend von der Verbrennungskraftmaschine 16 durchströmt ein Abgas 2 die Abgasanlage 17 in Richtung der Vorrichtung 1. Nach Durchströmen der Vorrichtung 1 und mehrfachen Umlenkung des Abgases 2 wird das Abgas 2 an die Umgebung abgeführt. Innerhalb der Vorrichtung 1 wird die thermische Energie des Abgases 2 zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt und kann entsprechend elektrischen Verbrauchern 24 im Kraftfahrzeug 20 direkt oder aber über elektrische Speicher zugeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Abgas
3: axiale Richtung
4: Kanal
5: radiale Richtung
6: erste Öffnung
7: erster Ringkanal
8: erste innere Umfangsfläche
9: erste äußere Umfangsfläche
10: thermoelektrisches Modul
11: Umfangsrichtung
12: zweite Öffnung
13: Achse
14: dritte Öffnung
15: Kontrolleinheit
16: Verbrennungskraftmaschine
17: Abgasanlage
18: Winkelbereich
19: Schließelement
20: Kraftfahrzeug
21: Kühlung
22: kaltes Medium
23: Leitung
24: Verbraucher
25: radial durchströmbarer Wabenkörper
26: erste Stirnseite
27: zweite Stirnseite
28: Außenfläche
29: zweiter Ringkanal
30: Länge
31: thermoelektrische Materialien
32: Strömungspfade
33: zweite innere Umfangsfläche
34: Erstreckung
35: Querschnitt
36: abgewandte Seite
37: Durchbruch
38: Verengung
39: Erweiterung

Claims

Vorrichtung (1) zur Umwandlung thermischer Energie eines Abgases in elektrische Energie, zumindest aufweisend einen entlang einer Achse (13) in einer axialen Richtung (3) verlaufenden Kanal (4) und einen, den Kanal (4) umgebenden ersten Ringkanal (7), der eine erste innere Umfangsfläche (8) und eine erste äußere Umfangsfläche (9) aufweist, wobei zwischen der ersten inneren Umfangsfläche (8) und der ersten äußeren Umfangsfläche (9) mindestens ein thermoelektrisches Modul (10) angeordnet ist, wobei ein Abgas (2) in der axialen Richtung (3) in den Kanal (4) einströmt und dort in eine radiale Richtung (5) umgelenkt wird, wobei das Abgas (2), ausgehend von dem Kanal (4) in den ersten Ringkanal (7) über mindestens eine erste Öffnung (6) in der ersten inneren Umfangsfläche (8) einströmt, wobei das Abgas (2) das thermoelektrische Modul (10) in einer Umfangsrichtung (11) umströmt und über mindestens eine zweite Öffnung (12) in der ersten äußeren Umfangsfläche (9) aus dem Ringkanal (7) austritt.
Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 1, wobei zwischen dem Kanal (4) und dem ersten Ringkanal (7) zumindest ein zweiter Ringkanal (29) angeordnet ist, in den das Abgas (2) ausgehend von dem Kanal (4) einströmt.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die erste Öffnung (6) und die zweite Öffnung (12) um 180° zueinander versetzt angeordnet sind.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei zumindest eine dritte Öffnung (14) in der ersten inneren Umfangsfläche (8) vorgesehen ist, durch die das Abgas (2) von dem Kanal (4) in den ersten Ringkanal (7) eintritt, wobei die dritte Öffnung (14) fluchtend zu der zweiten Öffnung (12) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 3, wobei die dritte Öffnung (14) geöffnet und geschlossen werden kann.
Vorrichtung (1) gemäß Patentanspruch 3 oder 4, wobei die erste Öffnung (6) geöffnet und geschlossen werden kann und bei Verschließen der dritten Öffnung (14) gleichzeitig die erste Öffnung (6) geöffnet wird.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das mindestens eine thermoelektrische Modul (10) ringförmig ausgestaltet ist und sich in Umfangsrichtung (11) zumindest von der ersten Öffnung (6) hin zu der zweiten Öffnung (12) erstreckt.
Kraftfahrzeug (20), zumindest aufweisend eine Verbrennungskraftmaschine (16) und eine Abgasanlage (17) sowie mindestens eine Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche.