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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie, mit einem thermoelektrischen Generator, der eine für einen Kontakt mit einer Wärmequelle vorgesehene aktive Fläche aufweist, und einer von einem Wärmeträger-Fluid durchströmbaren Heizkanalanordnung, die dazu ausgebildet ist, das Wärmeträger-Fluid entlang einer Strömungsrichtung an der aktiven Fläche des thermoelektrischen Generators entlang zu führen, wobei der thermoelektrische Generator aufgrund seiner Gesamtabmessungen eine Längsrichtung aufweist.
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Thermoelektrische Generatoren (TEG) 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 Generators vor allem ein möglichst großer Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der zugehörigen Wärmesenke.
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Üblicherweise ist bei länglich geformten thermoelektrischen Generatoren eine Längsdurchströmung vorgesehen, d. h. das Wärmeträger-Fluid wird im Wesentlichen in Längsrichtung durch den thermoelektrischen Generator hindurch geführt. Dies hat den Vorteil einer guten Bauraumausnutzung sowie eines relativ glatten Durchgangs ohne übermäßigen Druckverlust. Allerdings wird dem Wärmeträger-Fluid auf seinem Strömungsweg durch den thermoelektrischen Generator fortlaufend Wärmeenergie entzogen, so dass die am Ende des Strömungswegs gelegene aktive Fläche weniger erhitzt wird als die am Anfang des Strömungswegs gelegene aktive Fläche. Mit anderen Worten ist die Temperatur der Wärmequelle und somit der für die Effektivität maßgebliche Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke am Ende des Strömungswegs nur noch relativ gering. Das bedeutet dass der thermoelektrische Generator im Ausgangsbereich mit einem verringerten Wirkungsgrad arbeitet.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, bei Vorrichtungen der genannten Art die Ausbeute an elektrischer Energie zu erhöhen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß verläuft die Strömungsrichtung quer zu der Längsrichtung. Die Heizkanalanordnung ist also derart gestaltet und angeordnet, dass der thermoelektrische Generator insgesamt nicht wie üblich längs, sondern quer durchströmt wird. Dies bedeutet eine Abkehr von dem auf dem Fachgebiet gängigen Vorgehen, länglich ausgebildete thermoelektrische Generatoren für eine Längsdurchströmung auszulegen. Erfindungsgemäß wurde nämlich insbesondere erkannt, dass durch eine Querdurchströmung der Temperaturgradient des Wärmeträger-Fluids entlang des Strömungswegs beträchtlich reduziert werden kann und dass weiterhin die dadurch bewirkte Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads die bekannten Nachteile einer Querdurchströmung überkompensiert.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass der Begriff ”Längsrichtung” in Bezug auf den thermoelektrischen Generator unabhängig von etwaigen Symmetrien zu sehen ist. D. h. eine Längsrichtung im Sinne der Erfindung ist immer dann definiert, wenn die durch die äußeren Abmessungen bestimmte Form des thermoelektrischen Generators in irgendeiner Weise länglich ist – unabhängig vom Querschnittsverlauf.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Vorzugsweise ist die Heizkanalanordnung derart ausgebildet, dass die Strömung des Wärmeträger-Fluids stromaufwärts des thermoelektrischen Generators und/oder stromabwärts des thermoelektrischen Generators umgelenkt wird, insbesondere um 90°. Die Strömungsumlenkung kann beispielsweise durch in der Heizkanalanordnung vorgesehene Rohrbögen bewerkstelligt werden. Eine Strömungsumlenkung ist vor allem unter Bauraum-Gesichtspunkten vorteilhaft, da sich dann z. B. der Eingangskanal der Heizkanalanordnung, der thermoelektrische Generator selbst sowie der Ausgangskanal der Heizkanalanordnung wie bei einer herkömmlichen Längsdurchströmung entlang einer gemeinsamen Längsrichtung erstrecken.
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Die Außenabmessungen des thermoelektrischen Generators können einen länglichen Quader definieren, wobei die Heizkanalanordnung dazu ausgebildet ist, das Wärmeträger-Fluid von einer Breitseite des Quaders zu der entgegengesetzten Breitseite des Quaders zu führen. Insbesondere kann das Wärmeträger-Fluid parallel zu den Schmalseiten des länglichen Quaders und rechtwinklig zu der Längsachse des Quaders geführt werden. Eine Quaderform ermöglicht insbesondere eine einfache Unterbringung und Montage.
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Der thermoelektrische Generator kann weiterhin mehrere thermoelektrische Module umfassen, die nebeneinander an der Heizkanalanordnung angebracht sind. Thermoelektrische Generatoren umfassen üblicherweise eine Vielzahl von thermoelektrischen Einzelmodulen oder Einzelelementen, welche gemeinsam den Generator bilden. Häufig handelt es sich um gleichartige Einzelmodule. Bei einer derartigen Konfiguration ist die Form des thermoelektrischen Generators an sich durch den gesamten von den thermoelektrischen Modulen sowie den zugehörigen Heiz- und gegebenenfalls Kühlkanalabschnitten ausgefüllten Raum gegeben. Hierbei ist es grundsätzlich möglich, dass die Einzelmodule ebenfalls jeweils eine Längsrichtung aufweisen, die jedoch mit der Längsrichtung des thermoelektrischen Generators nicht übereinstimmt. Zum Beispiel könnte eine Aneinanderreihung von länglichen Modulen vorgesehen sein, welche jeweils für sich gesehen in Längsrichtung durchströmt werden, welche aber gemeinsam eine Querdurchströmung des thermoelektrischen Generators vorsehen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Heizkanalanordnung mehrere parallel verlaufende Einzelkanäle, wobei sich ein gemeinsamer Eingangskanal in die Einzelkanäle verzweigt und sich die Einzelkanäle zu einem gemeinsamen Ausgangskanal vereinigen. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des anströmenden Wärmeträger-Fluids auf unterschiedliche Bereiche der aktiven Fläche. Insbesondere kann an jedem Einzelkanal wenigstens eines von mehreren thermoelektrischen Modulen des thermoelektrischen Generators angebracht sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass jeweils ein thermoelektrisches Modul oder jeweils ein Satz von mehreren Sätzen thermoelektrischer Module durch einen eigenen Einzelkanal mit Wärmeträger-Fluid beaufschlagt wird. Dies bewirkt eine besonders gleichmäßige Temperaturverteilung, welche der Effektivität des Generators zugutekommt.
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Weiterhin kann an zwei entgegengesetzten Seiten, insbesondere Flachseiten, jedes Einzelkanals jeweils wenigstens ein thermoelektrisches Modul angebracht sein. Die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeträger-Fluid und den thermoelektrischen Modulen kann hierdurch weiter verbessert werden, da das Fluid beidseitig an aktiven Flächen entlanggeführt wird. Besonders bevorzugt weist der Heizkanal einen abgeflachten rechteckigen Querschnitt auf, wobei an beiden Flachseiten ein oder mehrere thermoelektrische Module angebracht sind. Auf diese Weise steht eine besonders große Fläche des Heizkanals in Kontakt mit den thermoelektrischen Modulen.
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Die Heizkanalanordnung kann zwei voneinander beabstandete Reihen von parallelen Einzelkanälen umfassen. Dies ermöglicht eine besonders günstige Verteilung des ankommenden Fluids auf die verschiedenen thermoelektrischen Module.
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Die Einzelkanäle können einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt und/oder einen rechteckigen oder trapezförmigen Längsschnitt aufweisen. Derart gestaltete Kanäle sind in besonderer Weise zur Befestigung von thermoelektrischen Elementen geeignet, da genügend ebene Flächen zur Anbindung der jeweiligen Warmseiten der thermoelektrischen Module zur Verfügung stehen.
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Die Heizkanalanordnung kann insbesondere als Abgaskanal zur Integration in einen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors ausgebildet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die Heizkanalanordnung eine Außenwand mit wenigstens einer Durchbrechung auf, wobei die aktive Fläche des thermoelektrischen Generators die Durchbrechung zumindest teilweise abdeckt. In dem Bereich, in welchem die Durchbrechung abgedeckt ist, besteht somit ein direkter Kontakt zwischen dem Wärmeträger-Fluid und der aktiven Fläche. Auf diese Weise kann der Wärmeübergang von dem Wärmeträger-Fluid zu der aktiven Fläche verbessert werden, da die normalerweise vorliegende Heizkanalwand im Bereich der Durchbrechung als zusätzlicher Wärmeübergangswiderstand wegfällt.
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Die Erfindung betrifft auch 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 thermoelektrschen Generators 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 Generators 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 thermoelektrschen Generators ist es möglich, die Schalldämpfungseinrichtungen im Schalldämpfergehäuse kleiner zu dimensionieren und/oder in ihrer Anzahl zu reduzieren oder sogar auf zusätzliche Schalldämpfungseinrichtungen vollständig zu verzichten. Dadurch dass dem Abgas durch den thermoelektrischen Generator 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 Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
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2 ist eine Querschnittsansicht der Vorrichtung gemäß 1.
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3 ist eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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Gemäß 1 und 2 umfasst eine Vorrichtung zur Wandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie eine Heizkanalanordnung 10, welche in einen nicht dargestellten Abgaskanal eines Verbrennungsmotors integriert ist. Die Heizkanalanordnung 10 umfasst einen ein heißes Abgas von dem Verbrennungsmotor empfangenden Eingangskanal 11 und einen parallel versetzt zu diesem angeordneten, das Abgas an einen nicht dargestellten Auspuff abführenden Ausgangskanal 13.
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Zwischen dem Eingangskanal 11 und dem Ausgangskanal 13 erstrecken sich zwei übereinander liegende und voneinander beabstandete Reihen von jeweils fünf parallelen Einzelkanälen 15, welche rechtwinklig zu dem Eingangskanal 11 und zu dem Ausgangskanal 13 verlaufen und einen rechteckigen, abgeflachten Querschnitt aufweisen. Jeder der Einzelkanäle 15 zweigt von dem Eingangskanal 11 ab und mündet wieder in den Ausgangskanal 13. Es ergeben sich somit am Eingang und am Ausgang jedes Einzelkanals 15 Strömungsumlenkungen 21 um einen Winkel von 90°. An der Oberseite 23 und an der Unterseite 25 jedes Einzelkanals 15 sind Anordnungen von zwei 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 Gehäuse 27 (2) aus Metall untergebracht, welches mittels nicht dargestellter Befestigungslaschen an dem Einzelkanal 15 angebracht ist. Zum gezielten Erzeugen von Turbulenzen in dem strömenden Abgas können Verwirbelungselemente und/oder Durchbrechungen vorhanden sein, was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Zur Verdeutlichung der Anordnung sind in 1 bei dem im Bild rechten Einzelkanal 15 die thermoelektrischen Module weggelassen.
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Jedes thermoelektrische Modul 19 ist derart angeordnet, dass dessen für einen Kontakt mit dem Abgas vorgesehene Warmseite 30 zum Einzelkanal 15 weist. An der entgegengesetzten Kaltseite 32 eines jeden thermoelektrischen Moduls 19 ist ein Kühlkanal 33 vorgesehen, der von einem Kühlfluid, insbesondere Wasser, durchströmbar ist. Während des Betriebs der Vorrichtung wird jedem Kühlkanal 33 strömendes Kühlwasser zugeführt, welches nachfolgend vorzugsweise in einer mäandernden Strömung über die Kaltseite 32 des thermoelektrischen Elements 19 geführt und anschließend einem nicht dargestellten Auslass zugeleitet wird.
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Die Anordnung der an den Oberseiten 23 und Unterseiten 25 der Einzelkanäle 15 angebrachten thermoelektrischen Module 19 bildet insgesamt einen thermoelektrischen Generator 18, der hinsichtlich seiner Gesamtabmessungen eine Quaderform mit einer ausgezeichneten Längsrichtung L aufweist. Die Warmseiten 30 aller thermoelektrischen Module 19 bilden gemeinsam die aktive Fläche des thermoelektrischen Generators 18.
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Die Strömungsrichtung S, entlang welcher das heiße Abgas durch die Einzelkanäle 15 an den Warmseiten 30 der thermoelektrischen Module 19 entlang geführt wird, verläuft quer zu der Längsrichtung L. Durch die Heizkanalanordnung 10 wird somit im Ergebnis das heiße Abgas von einer Breitseite des quaderförmigen thermoelektrischen Generators 18 zu der entgegengesetzten Breitseite geführt. Für jede einem Einzelkanal 15 zugeordnete Anordnung von thermoelektrischen Modulen 19 ist somit der Strömungsweg gegenüber einer Durchströmung des thermoelektrischen Generators 18 in der Längsrichtung L verkürzt. Somit ist auch der innerhalb des Strömungswegs auftretende Temperaturabfall verringert. Der Strömungswiderstand der Gesamtanordnung ist aufgrund der Umlenkungen 21 gegenüber einer Anordnung mit vollständig geradem Durchgang erhöht, was jedoch durch den relativ kurzen Strömungsweg durch die Einzelkanäle 15 hindurch kompensiert wird.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die Strömungsrichtung S rechtwinklig zu der Längsrichtung L. Grundsätzlich soll unter dem Begriff ”Querdurchströmung” jedoch auch eine Anordnung verstanden werden, bei welcher die Strömungsrichtung schräg zur Längsrichtung verläuft.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche im Prinzip so aufgebaut ist wie die Ausführungsform gemäß 1, wobei jedoch S-förmige Rohrbögen 35 stromaufwärts und stromabwärts des thermoelektrischen Generators vorgesehen sind. Die Rohrbögen 35 sind an jeweiligen Flanschabschnitten 37 an dem Eingangskanal 11 bzw. an dem Ausgangskanal 13 angebracht und ermöglichen einen geringeren seitlichen. Versatz zwischen dem Eingangskanal 11 und dem Ausgangskanal 13. Dies kann bei bestimmten Anwendungen aus Gründen des ausnutzbaren Bauraums wünschenswert sein.
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Während des Betriebs des Verbrennungsmotors heizt das strömende Abgas die Warmseite 30 jedes thermoelektrischen Moduls 19 auf, wohingegen die Kaltseite 32 jedes thermoelektrischen Moduls 19 mittels des durch den jeweiligen Kühlkanal 33 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 19 ermöglicht eine besonders effektive thermische Anbindung der thermoelektrischen Module 19 an die Heizkanalanordnung 10.
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Aufgrund der Querdurchströmung des thermoelektrischen Generators kann der Temperaturabfall entlang der Strömungsstrecke gegenüber einer Längsdurchströmung verringert werden. Im Ergebnis ermöglicht die Erfindung somit einen höheren Gesamtwirkungsgrad des thermoelektrischen Generators 18.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Heizkanalanordnung
- 11
- Eingangskanal
- 13
- Ausgangskanal
- 15
- Einzelkanal
- 18
- thermoelektrischer Generator
- 19
- thermoelektrisches Modul
- 21
- Strömungsumlenkung
- 23
- Oberseite
- 25
- Unterseite
- 27
- Gehäuse
- 30
- Warmseite
- 32
- Kaltseite
- 33
- Kühlkanal
- 35
- Rohrbogen
- 37
- Flanschabschnitt
- S
- Strömungsrichtung
- L
- Längsrichtung
